竖井旋流泄洪洞涡室整流挑坎试验与数值模拟.pdf

第 4 2卷 第 1 1期 2 0 1 1年 6 月 人 民 长 江 Ya n g t z e Riv e r Vo 1 4 2 No 11 J u ne， 2 011 文章编号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 1 ) 1 1 0 0 2 0 0 3 竖井旋流泄洪洞涡室整流挑坎试验与数值模拟 钱 小 燕， 邓 军， 张 叶 林 ， 陈 华 勇 ( 四川 I 大学 水 力学与山区河流开发保护 国家重点实验 室， 四川 I成都 6 1 0 0 6 5 ) 摘要 ： 已有竖井旋流的研究成果表明 ， 涡室进 口处水流的起 旋对整个涡室流 态的影响很 大， 如何使 水流在进入 涡室段 时能稳定起 旋， 并贴壁形成稳 定空腔 ， 是 决定整 个竖 井旋 流消能效果的一个关键性 因素 。通过试验 与 数值 模 拟 相 结 合 的 方 法 ， 研 究 了涡 室 进 口 处 整 流 挑 坎 的 体 型 对 涡 室 流 态 的 影 响 ， 提 出 了一 种 新 的 整 流 挑 坎楔形挑 坎。试验表 明， 这种挑坎形式与传统 圆弧挑坎相 比能更好地 引导涡室进 口处水流 的起 旋 ， 改善 涡室内水流流态。对类似工程设计 具有重要的参考价值 。 关键词 ： 竖井 旋 流 ；整 流挑 坎 ；涡 室流 态 ；涡 室 空腔 中图法分类号 ： T V 1 3 5 文献标志码：A 竖井旋流消能工是利用水流旋转并掺人大量气体 从 而使水 流紊动 强度 加 大 而 自身 消能 的 一种 消 能工 。 它 由于布 置灵活 、 对地 形 条件 适 应较 强 和 消能 效 果较 好 而得到 推广应 用 。在 竖 井 旋 流 中水 流经 进水 口、 引 水道 进入 涡室 ， 然 后开 始 旋转 ， 通 过 锥 形段 进入 竖 井 。 在竖 井段 ， 水 流在重 力作用 下贴井 壁做螺 旋运动 ， 在竖 井 中心形成有 利于保 持 流 态稳 定 的 空腔 ， 由于 水流 的 强烈紊动而消能 。其 中涡室是保证竖井 内水流贴 壁和足够水流紊动能的关键部位， 涡室段包括起旋室 和渐变锥形段。水流经起旋室后形成螺旋流 ， 并贴壁 顺 流进入 竖井段 。因此 起旋室 内 的流 态好坏 直接决定 整个 竖井 旋流 消能工 的消能效 果 。在 大部分竖 井旋 流 试 验 中 ， 水 流从 引水道 进 入 涡室 的 连接 处 如何 实 现水 流的起旋 ， 使 得水 流贴 壁 、 空 腔稳 定 ， 成 为竖 井 旋 流工 程试 验研究 的一个关 键 问题 。 。在 以往 的工程 中往 往采 用在涡 室进 口处 设置挑 坎来 引导水 流 。本 文在前 人研究的基础上， 结合多诺竖井旋流泄洪洞工程 ， 重点 对涡 室进 口整 流挑坎 的体形 进 行 研究 ， 以实 现水 流 起 旋 、 贴 壁进入竖 井 ， 避 免水流 直接跌入 竖井底 部 的不 利 流态 ， 并 用数值 模拟辅 助加 以研究 。 1 不 同整流小挑坎下涡室流态特性试验 多诺 泄洪 洞 试 验 模 型 由无 压 进 口段 、 上 平 段 、 涡 室 、 涡井 、 下平段及 出 口消力池组 成 。试验研 究 了泄洪 洞 涡室进 口在不 同整流 挑坎 的运 行情 况 。试 验模 型 比 尺 为 1 ： 3 0 。 在 竖井旋 流泄 洪洞 中 ， 涡室 段采用 切入式进 口 ， 水 流从引水道进人涡室后 ， 在离心力 的作用下水流起旋 贴壁 ， 同时在重 力作 用 下 水 流绕 壁 面 螺旋 而 下 。为 了 保 证从 引水道 出来 的水流在 进入 涡室时 形成稳定 的螺 旋 流 ， 水 流 的环 向流 速 要 比较 稳 定 ； 同时 在 进 口处 要 避免 回旋 回来 的 水 流 与来 流发 生碰 撞 从 而 阻 挡 来 流 ， 致使水 位壅 高导致 水流倒 流 回引水道 内 ， 产生 回流 现 象 。因此 ， 一般 在进 口处设 置挑坎 ， 以引导水流顺 利 进入 涡室并 稳定起 旋 。本文通 过试验 研究 了圆弧形 和 楔形两种挑坎布置的水 流特性， 综合提 出比较实用的 挑坎 型式 。 1 1 涡室进 口处增设圆弧形整流小挑坎 圆弧形挑 坎是 目前大 多类似 竖井旋 流工程 采用 的 挑坎 型式 ， 结 构 形 式 见 图 1 ( a ) ， ( b ) 。圆 弧 挑 坎 的设 收 稿 日期 ： 2 0 1 l O l 一2 5 基 金 项 目 ： 国 家 自然 科 学 基金 项 目( 5 0 7 0 9 0 2 0) 作者简介 ： 钱 小燕 ， 女 ， 硕 士研 究生， 主要从事水工水力学方面的研 究。Em a i l： x i a o y a n 4 7 3 9 1 1 2 6 C O rn 通 讯 作 者 ： 邓军 ， 男 ， 教 授 ， 博 士 。Ema i l： d j h a o 2 0 0 2 S C U e d u c n 第 1 1期 钱 小 燕 ， 等 ： 竖 井旋 流 泄 洪 洞 涡 室整 流 挑 坎 试 验 与数 值 模 拟 21 计思路 是 ， 回流在 反弧段 的引 导下 能 够 与 A 区域来 流 一 起 沿 壁面螺 旋 运 动 。在 涡 室 内增 设 圆 弧 小挑 坎 后 ， 虽然挑 坎上端 能对 回旋 水 流起 到 很 好 的 导 向作 用 ， 大 大减少 对进 口水流 的挤 压 ， 不会 产 生 水 流 倒 流 回引水 道的现 象 ， 但 挑坎 下端 占用 了涡室 内 的空间 ， 很 可能阻 挡 引水道 下部 水流 的旋 转 ， 使 其 直接 跌 落 ， 流态 变 差 。 其 流态 图见 图 1 ( e ) ， ( d ) 。 a ) 立面 ( c ) 流态 1 b ) 平 面 一 图 1 圆弧挑坎结构和在正常水位运行的流态 ( 单位 ： m) 由 图 1可 以看 出 ， 增 设 圆弧形 整 流小挑 坎后 ， 在 小 流量情 况下 涡室 内流 态紊 乱 ， 无 明显 空腔 的水 流现象 。 图中 A区域 下层水 流跌 落撞 击 壁 面的 现象 ， 正是 由于 圆弧 挑坎 上部对 回旋 水流 的环 向引 导使水 流沿 挑坎 边 线 回旋 产 生的 ， 但 圆弧挑 坎 对 引 水 道下 部 水 流 没 有 引 导作用 。并 且下 部水 流在 出引水 道后 因受 圆 弧挑坎 下 部 的挤 压 ， 流速 加大 ， 无 法 沿 壁 面旋 转 ， 从 而 直 接 从 涡 室进 口处跌 落射 出 。其 落水 外边 线落 在涡 室壁 面上 并 反 弹 ， 从而 在 涡室 空腔 处 造 成 “ 呛 水 ” 现 象 ， 造 成 涡 室 空腔 流态紊 乱 。破坏 了整个 空腔 的连 贯性 。其 次没 有 形成稳 定 空腔就 无法保 证 竖井 内 自由面上 水流 的压 强 为大气压 ， 从而可能导致竖井壁面负压的存 在。这样 的水 流在旋 流而 下过 程 中 会不 断撞 击 壁 面 ， 从 而 引起 结构 的震动 ， 这 在工程 中是 不允许 的。 1 2楔 形 整流 挑 坎 由 于圆弧挑坎 的下 部 结 构 占据 涡 室 空 腔 ， 导致 引 水道下 层水 流 出流 时被 束 窄 而使 流 速 加 大 ， 导 致水 流 直接跌 落 ， 特 别在 流 量 比较 小 时 ， 这 种 影 响 特别 明显 。 针对 圆弧挑 坎 的这种 使 用 局 限性 ， 提 出 了一 种 新 的 楔 形挑坎 ， 其体 形是 由三 棱 锥 形 渐 变 收缩 到 一 点 的楔 形 挑坎 ， 其结构 图 以及在此 挑 坎下水 流 流态见 图 2 。 从 图 2可 以看 出 ， 整 个涡 室流 态稳定 ， 空 腔 明显贯 通 ， 引水 道 出 口处 没 出现 跌 流和 回流 的 现象 。加 了楔 形小挑 坎后 ， 首先 ， 挑坎 上端 能很 好引 导引水 道上 部水 流 的起旋 ， 形成 螺 旋流 。 回旋 水 流 将 以一 定 夹 角旋 转 到进 E l右侧 的方 向 ， 这 使得 回旋 水 流 与引 水道 来 流 成 锐角 相接 ， 而不 是 以直 角 冲击 。锐 角 相接 既 可 以使 来 流在 回旋水 流 的带动 下 向右 旋转 ， 又 不会 直接 撞 击 来 流 出现 引水 道 出 口处 的 回 流现 象 。其 次 ， 楔形 挑 坎 下 端收 缩到一 点 不会 占用 涡 室 空 间 ， 不会 挤 压从 引水 道 而来 的下层 水流 。引 水道下 层水 流在上 层 回流的带 动 下 向右侧偏 转起 旋 ， 不会 出现 下 部 水 流直 接跌 落 的现 象 。涡室及 竖井 通气 空腔稳 定 ， 贯 通情 况 良好 ， 不影 响 泄洪 ， 流态情 况好 。在 试验 中， 小 挑坎 的结构 尺寸不 断 调 整 ， 在本 文 中还 没有 比较 系 统 的公 式 或 规律 来 确 定 挑 坎 的尺寸 ， 这 方面还 有待 于完善 ， 但这 种新 型挑坎 可 以在类 似 的竖井 旋流 中采 用并 研 究 ， 特 别 是小 流 量 情 况 下效 果会 更好 。 虽 ( a ) 竖井平面 ( b ) 楔形平面 ( c ) 流态 1 ( c ) 流态 2 图 2楔 形 挑 坎 结 构 和 在 正 常水 位 运 行 的 流 态 ( 单 位 ： m) 2 数值模拟研究 因为在试 验 中无 法 准确 量 测 不 同断 面 空 腔形 态 ， 为 了更好 地 比较楔形 小挑 坎与 以往普 遍采 用的 圆弧形 挑坎 下水 流 流态特性 。在分 析 水 流流 态 时采 用 了 flu e n t 商业软件进行数值模拟加以辅助分析。计算 了圆 弧 挑坎 和楔形 挑 坎 在 校 核 水位 2 3 7 1 6 8 m、 流量 2 0 9 m s时涡 室 、 渐 变段 、 竖井部 位 的空腔形 态 。 2 1 紊 流 模 型 根据 以往 紊流数 值 模 拟 的 经验 ， 对 于 存 在转 弯 及 分 离 漩 涡 等 具 有 较 强 的 各 向异 性 的 近 壁 流 动 ， 采 用 R N G ks紊 流模 型具 有 更好 的适 应 性 ， V O F法 跟 踪 自由面 ， 有 限体 积法 隐格式 迭代 求解 ， 速度压力 耦合 采 用 P I S O算 法 。 模 型模 拟 范 围从 01 0 0 7 5 m， 高 程 从 2 3 1 9 2 5 2 2 人 民 长 江 m到 2 3 7 1 m。 因为主要对 涡室进 口处挑 坎进行研 究 ， 所 以区域 只包 括 引水 道 、 涡 室 和部 分竖 井 段 。计算 区 域 的网格 大部 分 由结构 化 网格 构 成 ， 在 挑坎 处 由于体 形复杂 ， 所 以采 用 了非结构 化 网格 ， 网格 尺寸变化 范 围 为 0 0 2 5 O 0 m， 在涡 室进 口处 网格划 分 比较 密 。 2 2 计算结果和分析 计算 采用水 位为 校核 水 位 2 3 7 1 6 1 m， 进 口处 流 速为 4 4 1 m s ， 进 口水 深为 8 6 1 m， 对 两种 挑坎 进 行 模 拟研究 。为 了清楚地 了解 涡室及竖 井 内水 流流态 和 漩 涡空腔 从上到 下 的情况 ， 沿涡 室 圆心 纵 向均 匀 地 切 出 4个剖 面 ： 11剖 面 与 引水 道 来 流 方 向相 同 ， 2 2 剖面是 以俯 视角度将 1 1剖面 逆时 针转 4 5 。 所得 ， 再 依 次得 3 3和 4 4剖面 从 而把 涡 室 等分 ， 并 把两 种挑 坎体形 下的 4个剖 面 进行 比较 ， 其 详 图剖 面 图见 图 3 。同时为 了更 好 了解 不 同高程 位置 横 断 面的水 气 分布情 况 ， 沿 高程 Y方 向剖 出不 同 断面见 图 4， 在 剖面 图中没 有按 实 际 高 程 标 注 而是 以相 应 的坐 标 位 置 标 注 。 图 3两种 挑 坎 涡 室 纵 剖 面 =一 9 =一 1 5 ：一 】 6 =- 2 0 ( a ) 楔彤 - o o o o =一2 3 = 一 3 O o o =一2 3 一 3 0 图4数值模拟的圆弧挑坎和楔形挑坎的空腔 ( 单位 ： m) 计算 结果处 理与分 析 ： 通过对 两种 体形 计算 结 果 的处 理 ， 我 们 可 以从 对 比图看 出两种挑 坎体形 下涡室 内流态 的情况 。结合 图 3和 图 4 ， 在楔 形挑 坎体 型下 ， 首 先从 图 3的顺 水 流纵 剖 面 中可 以明显看 出 ， 在楔 形 挑 坎体 型 下整 个 涡 室及 竖井 段空腔从 上到 下 螺旋 贯 通 ， 水 流贴 壁 ， 流 态较 好 ； 而在 圆弧挑 坎下 ， 水 流在 Y= 一1 5 m和 Y= 一1 6 m的 位置出现了断面水流紊乱的现象。 其次 ， 圆弧挑坎体型 的最小 空腔断 面 比楔 形挑 坎 体 型 的位 置要 高 。 圆弧 挑 坎 的最小 空腔 断面 出现在 渐 变 锥 型段 以上 ， 即渐 变 段 开 始的位 置 。 而楔 形 挑坎 最小 空腔 断 面 出现 在渐 变 锥 型段与竖井段的交接处。 根据以往的竖井研究 ， 竖井旋 流 的最小 空 腔 断 面应 该 出现 在 锥 形 段 与 竖井 的交 接 处 。 那 么 ， 圆弧挑坎 体型 中的最 小断 面为什么会 出现 在 渐变 锥形段 的上部 ? 结合 以上 的试 验分 析 ， 在 圆弧挑 坎 中 1 位 置 处 ( 见 图 3 ) ， 最 小空 腔 断面 的形 成是 因为 引 水道 下层 水 流受 挑 坎 的挤 压 束 窄 而 直 接跌 落 在 井 壁 上 ， 引起 水流 飞溅 ， 使 得 1 位 置处水 量增 多形成最 小空 腔断 面。 该点从 图 4的垂直 与 水 流方 向的 剖 面 图 Y = 一 1 5 m 和 Y = 一1 6 m位置 也可 以看出在 渐 变锥形 段 形 成全 断面 的水 流紊 乱 的流 态 。 而 在 图 3中之所 以未 出现图4中位置 Y= 一1 5 m的流态， 是因为软件计算 处 理时对 一些散 落 的水 体 无 法显 示 ， 但 在 图 4中我 们 可 以明显 看 出在 圆弧挑 坎下在 引水道 下层水 流跌落 处 出现 了“ 呛水 ”的现象 。 楔形挑 坎体 型 由于 楔形 挑坎 下 端 收缩到一 点 ， 下 部不会 占据 涡室空腔 ， 也不挤 压水 道 下层的水流， 这样 ， 下层水流在从挑坎内侧回旋而来的 上层水 流带 动下 ， 与上层水 流一起 沿壁 面旋转 ， 螺旋 而 下 。 而 在 圆弧 挑坎下 ， 水流 的跌落 冲击会 引起局 部水流 的强紊 乱 ， 可 能会造 成结 构 物 的震 动 和 壁 面局 部压 力 过大从而引起结构的破坏 。 撞击后紊乱的水流也会破 坏 竖井 下部水体 的螺旋 运动 ， 造成 消能率 的降低 。 而竖 井旋流中水流的消能很大一部分是在竖井断面的螺旋 运 动 中消掉的 。 因此楔形 挑坎优 于 圆弧挑 坎 。 3结 语 为保证竖 井 旋 流 中起 旋 水 流 的稳 定 和 空 腔 的稳 定 ， 本 文结合具 体工 程试验 和相应 的数值 模拟 ， 对设置 于竖井旋流泄洪洞涡室起旋段处的整流挑坎体型进行 了研究 ， 提出 了一种新 的整 流挑坎 体型 楔形 挑坎 。 它 能很好地 引 导水流 起 旋 ， 保证 竖 井 内部 旋 流 空腔 的 稳定 ， 可为类 似工 程应用 参考 。 参 考文献 ： 1 郭琰 ， 倪 汉根 旋流式竖井溢 洪道 的过流能力及 蜗室与锥形渐缩 段的水力特性研究 J 水动力学研 究与进展 ， 1 9 9 5 ， 1 0 ( 1 ) 2 董兴林， 冯宾春 ， 等 旋流式竖井关键技 术问题研 究 J 水利水 电 技 术 ， 2 0 0 6， 3 7( 5) 3 高鹏， 杨永全 ， 马耀， 等 旋流式竖 井涡室结构优化 试验研 究 J 人 民 长 江 ， 2 0 0 6， 3 7( I 1) 4 郭琰 ， 倪汉根 旋流式竖井溢洪道竖 井的水流特性研究 J 水 动 力学研究与进展 ， 1 9 9 5 ， 1 0 ( 2 ) 5 张晓东， 刘之平， 高季章 ， 等 竖井旋流式 泄洪洞数值模拟 J 水 利 学报 ， 2 0 0 3 ， ( 8 ) 6 杨朝晖 ， 吴守 荣， 邓 军， 等 竖 井旋 流泄 洪洞 三雏数值 模 拟研 究 J 四川大学学报 ： 工程科学版 ， 2 0 0 7 ， 3 9 ( 2 ) ( 编辑 ： 徐诗银) ( 下转第 3 l 页) 第 1 1期 郭 磊， 等 ： 混凝土表 面保 温和水 管冷 却的温控 效果研 究 3 1 算 例进 行 了论 证 。认 为 早期 表 面 保 温力 度 越 小 ， 早 期 内外温 差越 大 ， 产生 的表 面拉 应力 就越 大 ， 但 对 改善后 期 昆 凝 土表 面的抗 裂性 能越 有利 。 ( 2 )分 析 了水 管 冷 却 的温 控 效 果 ， 提 出 了 水管 冷 却的控制 目标 ， 即温度峰值 、 峰值龄期、 降温速率和停 水温度 ， 并进行了阐述。通过算例分析了温度峰值 、 峰 值龄期以及降温速率对混凝土温度和应力的影响。认 为在评价水管冷却的温控效果时 ， 不能仅以温度峰值 作 为评 价标 准 ， 还应 考 虑峰值 龄期 的影 响 。此 外 ， 还认 为降温 速率 对混凝 土 温 度应 力 有 很 大 的影 响 ， 冷却 不 足会导致后期产生较大的拉应力 ， 而冷却过度则会使 得 停水 时的拉 应 力过大 。总之 ， 在进行 水管 冷却 时 ， 应 进行 细致 的温控仿 真 分 析 ， 确 定 合 理 的水 管 冷 却 控制 指标 。 参考 文献 ： 1 朱伯芳 大体积 混凝土温度应力与温度控制 M 北京 ： 中国电力 出 版 社 1 9 9 8 ( 2 朱岳明， 徐之 青， 贺金仁 ， 等 混凝 土水 管冷却温度场 的计 算方法 J 长江科 学院院报 ， 2 0 0 3 ， 2 0 ( 2 ) ： l9 2 2 3 GD e S c h u t t e r F i n i t e e le me n t s i mu l a t i o n o f t h e r m a l c r a c k i n g i n rue s s ir e h a r d e n in g c o n c r e t e e le me n t s u s in g d e g r e e o f h y d r a t io n b a s e d ma - t e r ia l la w s J C o m p u t e r s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 2 ， ( 8 0 ) ： 2 0 3 5 2 0 4 2 4 龚召 熊， 张锡 祥 ， 肖汉江 ， 等 水工混 凝土的 温控与 防裂 M 北 京 ： 中国水利水电出版社 ， 1 9 9 9 5 徐跃之， 陕亮 陶岔 渠首 引水 闸温度应 力 分析厦 施 _T - 安排 探讨 J 人 民长江， 2 0 1 0 ， 4 1 ( 1 O ) ： 3 4 3 7 6 吕常新， 吕建福 ， 巴恒静 大体积混凝 土温度 实测与芯部的力 学性 能发展规律 ( J 建筑技 术 ， 2 0 0 6， ( 6 ) ： 4 3 9 4 4 0 ( 编辑： 郑 毅) S t ud y o n t e m p e r a t ur e c o n t r o l e f f e c t o f c o n c r e t e s u pe r fi c ia l t he r m a l ins ula t io n a nd pipe c o o lin g GUO L e i ， HAN Yo n g li n ， HUANG Ya n g lia n ， CHEN Sh o u ka i ( 1 C o l l e g e o f Hy d r a u li c En g i n e e r i n g，N o r t h C h i n a Un i v e r s i t y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d El e c t r ic P o w e r ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 4 5，C h i n a ； 2 Z h e j ia n g Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o p o we r C o n s t r u c t i o n S u p e rvi s i o n C o m p a n y，H a n g z h o u 3 1 0 0 2 0，C h i n a； 3 Z h o u s h a n Ra w Wa t e r Ma n a g e me n t C e n t r e ，Zh o u s h a n 3 1 6 0 2 1，C h i n a ) Abs t r a c t ：The mo s t wid e ly us e d t e mpe r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s，s u pe r f ic ia l t h e r ma l in s u la t io n a nd pip e c o o ling，a r e a n a ly z e d t h e o r e t ic a lly wit h ap p lic a t ion o f fi n it e e le me nt me t h o d Fo r s u p e r f ic ia l t h e r ma l ins u la t io n，we b e lie v e t h a t ins u la t io n s t r e ng t h s h o u ld b e r e a s o n a b l y s e l e c t e d a n d t h e in s u l a t io n e f f e c t s h o u ld b e o p t im iz e d ， s o t h e o b j e c t iv e o f c r a c k p r e v e n t i o n a t e a r l y s t a g e a n d c r a c k r e s is t a n c e imp r o v e me n t a t la t e r s t ag e c a n be a c hie v e dFo r p ipe c o o lin g，we pu t f o r wa r d 4 c o n t r o l ind e x e s ，in c lud ing t e m- p e r a t u r e p e a k，p e a k a g e，c o o ling r a t e a n d c lo s ur e t e mp e r a t u r eW e p r e s e nt t he id e a t h a t f o r pip e c o o ling，n o t o n ly t h e c o n t r o lling o f t e mp e r a t ur e pe a k is imp o r t a n t ，bu t a ls o t h e in fl u e nc e o f pe a k t ime a n d c o o lin g r a t e s ho uld n o t be n e g le c t e d Ke y wor ds： s u p e r f ic ia l t h e r ma l ins u la t io n；pipe 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