高壩水力學(xué)問(wèn)題的數(shù)值模擬

高壩水力學(xué)問(wèn)題的數(shù)值模擬

隨著我國(guó)長(zhǎng)江上游及其支流高壩水庫(kù)的建設(shè)，高壩水力學(xué)的研究越來(lái)越受到重視。高壩水力學(xué)問(wèn)題與泄水建筑物的合理體型設(shè)計(jì)、水工建筑物的安全運(yùn)行直接相關(guān)。以往泄水建筑物設(shè)計(jì)基本上以模型試驗(yàn)為依據(jù),不僅費(fèi)時(shí)耗物,且受比尺效應(yīng)的影響,物模試驗(yàn)結(jié)果不能完全反映真實(shí)的紊流流動(dòng)情況。相比之下,數(shù)值模擬花費(fèi)少、適應(yīng)能力強(qiáng)、提供的流場(chǎng)資料詳細(xì)、便于方案比較等。同時(shí),高壩水力學(xué)問(wèn)題例如高拱壩下游消力塘紊流場(chǎng)模擬、高水頭溢洪道摻氣減蝕后的水氣二相流模擬、龍?zhí)ь^泄洪洞反弧段流場(chǎng)模擬、各種消能工的局部水流流場(chǎng)模擬等,這些水流現(xiàn)象大多是三維、非恒定、帶自由表面的復(fù)雜紊流,其精確的數(shù)值模擬具有極大的挑戰(zhàn)性。本文針對(duì)大中型水利水電工程復(fù)雜水力學(xué)問(wèn)題,結(jié)合實(shí)際工程對(duì)系列水力學(xué)問(wèn)題研究成果進(jìn)行了介紹。1混合體型的數(shù)值模擬文獻(xiàn)采用雙流體模型求解高紊動(dòng)摻氣水流,認(rèn)為在兩相流動(dòng)中一相可視為連續(xù)相,另一相是離散相,且離散相由一些尺度不大的粒子如氣泡組成,由于流動(dòng)的高紊動(dòng),連續(xù)相和離散相都有不同程度的脈動(dòng)。兩相流體的性質(zhì)不同,分別由相應(yīng)的微分方程所控制?？紤]顆粒體所受到的黏性阻力、壓力梯度引起的力、附加質(zhì)量力、Basset力、質(zhì)量力和浮力及兩相之間的相互作用等因素,推導(dǎo)兩相的運(yùn)動(dòng)方程并進(jìn)行數(shù)值求解。摻氣減蝕設(shè)施在高速水流問(wèn)題中得到普遍應(yīng)用。文獻(xiàn)對(duì)體型最簡(jiǎn)單的陡坡上微突挑坎所形成的通氣槽混合體型進(jìn)行較系統(tǒng)的數(shù)值模擬。為與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對(duì)比驗(yàn)證,選取與時(shí)啟燧等人摻氣減蝕物理模型試驗(yàn)完全一致的算例,采用MIXTURE單流體模型,以雷諾應(yīng)力紊流模型計(jì)算流場(chǎng),采用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)處理固體壁面邊界。由于所研究問(wèn)題的對(duì)稱(chēng)性,沿對(duì)稱(chēng)面將摻氣挑坎一分為二,只考慮其中的一半?yún)^(qū)域,以減小計(jì)算量,如圖1所示。模型給出的挑坎流態(tài)如圖2所示。由圖可見(jiàn),水流經(jīng)過(guò)挑坎后,底部摻進(jìn)的空氣很快便離開(kāi)壁面,在中心對(duì)稱(chēng)面處以最快速度上浮,摻氣坎下游底部近側(cè)壁處空腔長(zhǎng)度較短。數(shù)值計(jì)算結(jié)果還表明,摻氣濃度分布對(duì)曳力系數(shù)并不十分敏感;小直徑氣泡在底面附近的濃度相對(duì)于其在水體內(nèi)其他部位的濃度為大。2數(shù)值計(jì)算結(jié)果文獻(xiàn)采用三維雙方程紊流模型和VOF方法,對(duì)沙牌豎井旋流式泄洪洞的水流特性進(jìn)行了數(shù)值研究。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分三維計(jì)算區(qū)域,引入適用于分層兩相流的VOF方法求解自由表面。獲得了不同運(yùn)行工況下泄洪洞內(nèi)水流流速場(chǎng)和壓力場(chǎng)的系列計(jì)算結(jié)果,對(duì)渦室和豎井的旋流渦心形態(tài)、通氣量、空化數(shù)和消能率等進(jìn)行了定量描述和分析,計(jì)算的部分結(jié)果如圖3所示。豎井空腔直徑自上而下經(jīng)歷了由大變小再由小到大的過(guò)程,在喉管處達(dá)到最小,此處為豎井的流量控制斷面,喉管以下水流速度變大,水體變薄,空腔變大。空腔的位置隨主流水體的旋轉(zhuǎn)而擺動(dòng),在水平彎頭前部形成環(huán)狀水躍如圖3所示。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,豎井壓力的最大值發(fā)生在豎井消力井底部,豎井設(shè)計(jì)體型基本實(shí)現(xiàn)了利用螺旋水流增大豎井壁壓減小空蝕的目的。將豎井旋流泄洪洞的流速、壓力、過(guò)流能力及消能率的計(jì)算結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,均取得了較好的一致性。3洞塞消能分析洞塞式泄洪洞利用水流在有壓洞中的突縮和突擴(kuò)來(lái)達(dá)到洞內(nèi)消能的目的,該消能方式運(yùn)行穩(wěn)定,事故率低,因而在大型水利水電工程中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。文獻(xiàn)通過(guò)對(duì)洞塞式泄洪洞的紊流數(shù)值模擬,計(jì)算給出了單級(jí)洞塞和多級(jí)洞塞的消能率,沿程紊動(dòng)能和紊動(dòng)能耗散率的分布規(guī)律,詳細(xì)地反映出洞塞的消能特性,捕捉到了壓力最低點(diǎn)位置,彌補(bǔ)了物理模型試驗(yàn)的不足。研究表明,導(dǎo)流洞改建高水頭泄洪洞采用洞塞消能方案是安全可行的。圖4給出了某工況下數(shù)值模擬得到的壓力等值線、速度矢量及洞塞處局部速度矢量圖。此外,通過(guò)對(duì)多級(jí)洞塞消能工的布置優(yōu)化和三維非軸對(duì)稱(chēng)洞塞的大量計(jì)算,給出了多級(jí)洞塞在不同面積比和不同布置條件下的各級(jí)洞塞的消能率曲線,為工程設(shè)計(jì)提供了參考。4計(jì)算結(jié)果分析文獻(xiàn)采用三維標(biāo)準(zhǔn)雙方程紊流數(shù)學(xué)模型成功地進(jìn)行了水墊塘復(fù)雜紊流場(chǎng)水力特性、消能機(jī)理和優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。采用貼體非正交交錯(cuò)網(wǎng)格離散控制方程,TDMA算法求解代數(shù)方程組,SIMPLER算法聯(lián)解連續(xù)方程和動(dòng)量方程組。文獻(xiàn)針對(duì)溪洛渡在正常水位下,單獨(dú)表孔、單獨(dú)中孔和單獨(dú)深孔泄洪以及校核洪水位下表、中、深孔聯(lián)合泄洪,計(jì)算得各工況下底板最大時(shí)均沖擊動(dòng)壓及典型工況下的泄流流態(tài)與物理模型試驗(yàn)成果進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果吻合良好。圖5為表孔與深孔泄洪時(shí)三向剖面上所形成的速度矢量圖,圖6為中孔泄洪時(shí)水墊塘底板時(shí)均沖擊動(dòng)壓計(jì)算值和試驗(yàn)結(jié)果的比較。通過(guò)多個(gè)水位及孔口泄流組合得不同的泄水工況,對(duì)各工況的流速及壓力的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較。結(jié)果表明,中孔單獨(dú)泄洪時(shí),塘內(nèi)流態(tài)最接近水墊塘的典型流態(tài),所形成的底板最大沖擊動(dòng)壓也較表孔泄洪和深孔泄洪為小,位置距二道壩較遠(yuǎn),如圖5所示。深孔單獨(dú)泄洪時(shí),由于挑距遠(yuǎn)、入水角小、水流直沖二道壩,形成較大的沖擊壓力,流態(tài)較差。采用上述數(shù)學(xué)模型,先后對(duì)溪洛渡、拉西瓦、小灣等多項(xiàng)大型水電工程的不同泄流工況下水墊塘內(nèi)泄流流態(tài)進(jìn)行了模擬研究,了解不同方案水墊塘內(nèi)水流流態(tài)的變化,以及水墊塘底板處水流各特征參數(shù)的變化,判斷設(shè)計(jì)方案的可行性,起到了良好的決策支持作用。5消力池內(nèi)的流態(tài)分析和流態(tài)環(huán)運(yùn)用紊流擬序理論對(duì)多股多層水平淹沒(méi)射流水墊塘內(nèi)復(fù)雜三元紊流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析。采用VOF法、RNGk-ε流模型,結(jié)合向家壩水電站的工程設(shè)計(jì)方案,對(duì)多股多層水平淹沒(méi)射流水墊塘流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析,圖7給出了多股射流消力池內(nèi)的流速和紊動(dòng)能分布。計(jì)算結(jié)果表明:①該消能型式對(duì)下游的適應(yīng)性較強(qiáng),消能率較高;在保持流態(tài)穩(wěn)定的同時(shí),能顯著降低臨底流速,減小出坎水流波動(dòng)。②水墊塘跌坎下游出現(xiàn)橫軸漩渦和立軸漩渦等多種漩渦結(jié)構(gòu),紊動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。文獻(xiàn)通過(guò)數(shù)值模擬,探明了流動(dòng)結(jié)構(gòu)中立軸漩渦的形成過(guò)程,分析了漩渦結(jié)構(gòu)對(duì)建筑物的影響,提出了改善水流結(jié)構(gòu),增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的工程措施。數(shù)模研究表明,跌坎——底流消能方式是一種流態(tài)穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)、低霧化、高消能率的新型消能方式,能顯著減輕工程建設(shè)給環(huán)境帶來(lái)的不利影響,具有良好的工程應(yīng)用前景。6地層數(shù)值模擬對(duì)目前常用紊流模型和方法及其最新研究成果進(jìn)行了綜述,包括高紊動(dòng)摻氣水流數(shù)值模擬、豎井旋流式泄洪洞數(shù)值模擬、龍?zhí)ь^式泄洪洞數(shù)值模擬、洞塞式泄洪洞的紊流數(shù)值模擬、水墊塘復(fù)雜紊流場(chǎng)的數(shù)值模擬、跌坎——底流新型