超高水头大泄量竖井旋流泄洪洞消能机理数值模拟研究

发布时间：2020-03-27 23:43

【摘要】：鉴于传统模型试验对竖井内旋转水流的流速测量难度较大,采用Realizableκ-ε双方程紊流模型,并结合VOF法,对某一超高水头大泄量竖井旋流泄洪洞进行数值模拟,对比分析了水流流态、空腔直径、井壁压强及旋流角等水力要素的模型试验和数值模拟结果,在此基础上,计算了不同断面的能量大小,获得了竖井旋流泄洪洞各部位的消能形式及消能率分布。结果表明,竖井起始部位主要消去旋转水流的切向动能,占总能量损失的6.19%;中间部位主要消去旋转水流的位能,占总能量损失的21.18%;下半部位利用环状水跃及水垫池消去旋转水流大部分的剩余能量,占总能量损失的58.69%。
【图文】：

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１９６８－），，女，副研究员，研究方向为工程水力学，Ｅ－ｍａｉｌ：９５４５９０２８３＠ｑｑ．ｃｏｍ１工程概况某水利枢纽工程位于青海省班多峡谷内，为一等大（１）型工程，坝址以上流域面积１０７４２０ｋｍ２，多年平均流量５６３ｍ３／ｓ。该工程枢纽由面板砂砾石坝、左岸电站进水口、引水隧洞、地下厂房系统、尾水调压室、尾水洞、左岸竖井旋流泄洪洞、右岸开敞式溢洪道及放空洞等建筑物组成，竖井旋流泄洪洞又包括短压进水口、上游引水道、涡室、竖井、压坡段、下游导流洞等，见图１。水库正常蓄水位２９９０．００ｍ，总库容４７．０２×１０８ｍ３，电站面板砂砾石坝最大坝高２５７．５０ｍ，坝顶高程３００１．５０ｍ，竖井旋流泄洪洞最大泄量１４８２ｍ３／ｓ。图１竖井旋流泄洪洞示意图Ｆｉｇ．１Ｓｋｅｔｃｈｏｆｖｏｒｔｅｘｓｈａｆｔｓｐｉｌｌｗａｙ对竖井旋流泄洪洞的水力要素已做了大量水工模型试验［１～３］，对旋流空腔、流态、壁面压强分布、旋流夹角、消能率等均有了较为深刻的认识，但由于试验测量手段的局限性及竖井内旋流水流流态的复杂性，传统模型试验很难获得竖井内部的流动参数［４］，且在超高水头、大泄量条件下竖井内水流流态更为复杂，因此采用数值模拟方法探讨竖井旋流泄洪洞的消能机理对其体型优化至关重要。鉴此，本文以ＦＬＵＥＮＴ１５．０为平台，结合积累的经验［５，６］，采用Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅκ－ε紊流模型和ＶＯＦ法对一超高水头大泄量竖井旋流泄洪洞在设计工况下的水力要素进行数值模拟，并通过与试验结果对比验证了数值模拟的可行性，进而利用模拟结果对竖井不同断面的

示意图,水流流态,竖井,泄洪洞

定义竖井中心线与下游导流洞底板延伸面（高程为２７５７．７５ｍ）的交点为计算区域的坐标原点，ｘ正方向与下游导流洞内水流方向一致，ｚ正方向沿竖井向上。上平段为矩形断面（７ｍ×１４ｍ），涡室进口采用方程为ｘ２／２７．０２＋ｙ２／１５．２２＝１的椭圆曲线，涡室直径１８ｍ，竖井直径１３．５ｍ，下游导流洞为城门洞型（１３．５ｍ×１４．０ｍ，顶高２．５ｍ）。模型材料采用有机玻璃以便于流态观察。３．１水流流态竖井旋流泄洪洞的水流流态见图２。由图２可知，数值模拟的流态与模型观测较为相似，坝内水流经短压力进口平稳进入上游引水道，在引水道与涡室的连接处发生向上游蔓延的水跃，这主要是由于引水道与涡室连接处的外边壁为椭圆曲线，沿水流方向随着椭圆曲线的收缩，过水断面减小，此外涡室内旋转水流与进口入流发生撞击。加入折流坎和导流坎后，不仅避免了引水道的入流与涡室的旋转流直接碰撞产生水跃，而且增加了水流的旋转角动量，提高了壁面压强。进入涡室的水流在离心力作用下发生扩散，水流向涡室顶爬升，但不影响通气孔通气。空腔贯通整个涡室及竖井直到环状水跃处，存在偏心现象，且随水流旋转发生摆动。在旋转过程中，空腔直径逐渐增大，水流的切向流速减小，轴向流速增大，在靠近环状水跃处，由于切向流速较小，水流几乎垂直撞击环状水跃，因此在环状水跃处，水流紊动较为剧烈。整个涡室段水流呈乳白色，掺气明显，流态比较稳定，掺气水流从涡室进入竖井及水垫区，随后以有压流的形式经压坡流出。图２竖井旋流泄洪洞的水流流态示意图Ｆｉｇ．２Ｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｏｆｖｏｒｔｅｘｓｈａｆｔｓｐｉｌｌｗａｙ图３

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