水平旋流式內(nèi)消能泄洪洞數(shù)值模擬分析.pdf

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1、第42卷第5期2011年3月人民長(zhǎng)江Vo1．42．No．5YangtzeRiverMar．，2011文章編號(hào)：1001—4179(2011)05—0078—04水平旋流式內(nèi)消能泄洪洞數(shù)值模擬分析鄔海波，趙振興(1．河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院，江蘇南京210098；2．河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京210098)摘要：為了探究水平旋流式內(nèi)消能泄洪洞的消能機(jī)理及相關(guān)水力要素的變化情況，采用RNGk—s雙方程紊流模型及基于水氣兩相流的VOF方法，并結(jié)合公伯峽水電站的原型觀測(cè)資料，得到了洞內(nèi)流速和壓強(qiáng)等水力

2、要素的分布規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果與公伯峽水電站原型觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析表明，數(shù)值模擬方法能夠較好地模擬水平旋流泄洪洞的泄流過(guò)程；通過(guò)改變旋流室入流角度，得出了壓強(qiáng)、通氣量和消能率的變化規(guī)律。關(guān)鍵詞：紊流模型；數(shù)值模擬；水平旋流；入流角度；消能率中圖法分類號(hào)：TV651．3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A水平旋流式內(nèi)消能泄洪洞作為一種新型的消能工，有其自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)水流貼洞室壁高速旋轉(zhuǎn)流動(dòng)并和空氣混摻，可有效減免空化空蝕，同時(shí)利用導(dǎo)流洞泄洪可提高經(jīng)濟(jì)效益，洞室中形成的空腔環(huán)流增加了水流的紊動(dòng)和水流之間的剪切作用，增大了

3、消能率。目前旋流式消能工在模型實(shí)驗(yàn)方面有很多研究，圖1水平旋流泄洪洞體型布置(單位：m)包括流速、壓強(qiáng)、旋流室空腔直徑、旋流夾角、泄流量和消能率等。本文用數(shù)值模擬的方法對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，并通過(guò)與黃河公伯峽水電站原型觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果與原型資料基本符合。1工程概況公伯峽水電站位于黃河干流上，裝機(jī)容量1500MW，最大壩高139m，總庫(kù)容6．2億m，是國(guó)內(nèi)第1個(gè)泄量超過(guò)1000m／s，水頭超過(guò)100m由右岸導(dǎo)流洞改建成水平旋流泄洪洞的大型水利工程。2006年的圖2水平旋流洞計(jì)算網(wǎng)格(單位：m

4、)原型觀測(cè)表明，工程獲得圓滿成功。本文首先選取豎井段至旋流洞段進(jìn)行計(jì)算，上游2數(shù)值模擬水位選取2004m，下游為無(wú)壓出流。接著選取豎井段2．1數(shù)值計(jì)算與原型比較至導(dǎo)流洞0+420m處作為另一計(jì)算體型，工程體型依據(jù)公伯峽電站設(shè)計(jì)資料，見(jiàn)圖1，計(jì)算離散區(qū)域見(jiàn)圖2．1．1紊流模型2采用RNGk—s雙方程紊流模型，針對(duì)復(fù)雜曲線自收稿日期：2011—01—24作者簡(jiǎn)介：鄔海波，男，碩士研究生，主要從事流體力學(xué)的研究工作。E—mail：wuhaibo8@163．corn第5期鄔海波，等：水平旋流武內(nèi)消能泄洪洞數(shù)

5、值模擬分析79由水面和邊界條件，利用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來(lái)剖分主要三維計(jì)占計(jì)算區(qū)域體積的相對(duì)比例。對(duì)于某個(gè)計(jì)算單元，若F算區(qū)域；引入適用于分層兩相流的VOF方法求解曲線=1，則表示該單元被流體全部充滿；若F=0，則表示自由水面。k—s雙方程模型對(duì)雷諾應(yīng)力各分量采用各它是一個(gè)空單元；若0

6、慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動(dòng)情向，計(jì)算各單元的數(shù)值及梯度之后，就可以確定各單況，比較符合本問(wèn)題研究的構(gòu)想。此模型是由Yakhot元中自由邊界的近似位置。及Orzag提出的，譯為重整化群。RNGk一8紊流模型2．1．2算法與條件的連續(xù)方程、動(dòng)量方程和k、8方程分別為：采用有限體積法隱格式迭代求解，速度壓力耦合連續(xù)方程采用PISO算法。通氣口采用壓力入口邊界條件，水流Op一+：0?人口采用速度入口邊界條件，以上游庫(kù)水位2004mOtd與2005in且閘門全開(kāi)時(shí)作為計(jì)算初始條件，出口采動(dòng)量方程用壓力出口

7、，壁面取無(wú)滑移邊界條件，近壁區(qū)采用壁面+毒(u一老+老c差一p)函數(shù)法處理。2．1．3流速計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析(2)計(jì)算以豎井軸線方向?yàn)榉较?，?dǎo)流洞軸方向?yàn)閦式中，一p=(等+OUj)一了2(p+OUi)×方向，垂直于兩軸線方向?yàn)閅方向(見(jiàn)圖2)，取計(jì)算達(dá)6d(為湍動(dòng)粘度，“為時(shí)均速度，6為“Kronecker到穩(wěn)定且質(zhì)量進(jìn)出相對(duì)誤差為0．1％時(shí)的結(jié)果來(lái)分delta”符號(hào)，k為湍動(dòng)能)。析。方程圖3為沿z平面剖切得到的中軸線斷面計(jì)算結(jié)果，其中黑色區(qū)域?yàn)樗?，白色區(qū)域?yàn)榭諝猓g接觸區(qū)+毒cp=毒[]+G+

8、p占域即為水氣分界面，空氣腔約在=170m左右處消(3)失，即氣腔總長(zhǎng)度約為170m，氣腔直徑為3～6m，呈s方程沿程先增大后減小趨勢(shì)，且較穩(wěn)定。故模型中水氣交界面為空氣腔區(qū)域，且在z=170m以后轉(zhuǎn)變?yōu)槊髑?=毒嘗】+宰Gp"92態(tài)，水面線可由圖中看到。依據(jù)原型觀測(cè)資料，同時(shí)由于旋轉(zhuǎn)水流的對(duì)稱性，(4)取近壁面流速進(jìn)行分析，由圖4可看出，計(jì)算值比涂層式中，P和為密度和分子粘性系數(shù)；=+；=痕跡分析法得到的原型值稍大，原型值為34．22～pC(與8分別為紊動(dòng)動(dòng)能和紊