出口挑坎段溢洪道内水流流动的数值模拟

出口挑坎段溢洪道内水流流动的数值模拟

0挑坎体型计算在狭窄的河流中修建水库，溢流道的出口通常采用扭曲的曲线，水流通常用于下游河流，以防止河流的清理。扭曲型挑坎上的水流是一典型的三维高速射流,常伴随着掺气,流动十分复杂。如何正确模拟扭曲坎上的水流运动是工程设计中的一个难点,过去主要通过模型试验,不断修改挑坎体型,直到水流能落到下游恰当的位置为止,试验工作量较大。本文结合瀑布沟水电站溢洪道体型设计,采用k-ε紊流模型封闭三维时均流动方程,用VOF方法跟踪自由水面,对溢洪道出口三种扭曲型挑坎水流进行数值求解,根据工程地形、地质等条件,通过对计算结果的比较,推荐出满足工程要求的挑坎体型。瀑布沟水电站位于大渡河中游、四川省汉源县和甘洛县境内,是一座以发电为主,兼有防洪、拦沙等综合效益的大型水利水电工程。大坝建在弯度约90°的河弯段上,两岸山高坡陡,具有“高水头、大泄量、窄河谷”的特点。溢洪道建在大坝左岸,由进口引渠段、溢流堰、泄槽段和出口段组成(见图1)。出口采用挑流消能,由挑流反弧段和曲面贴角扭曲斜鼻坎组成。为保证溢洪道出口挑射水流能够比较分散地落入下游河道,有利于水流消能及下游岸坡稳定,对出口挑坎体型提出了三种方案。经计算推荐的挑坎体型,其水流入射水舌外缘线的计算结果得到物理模型试验结果的良好验证。1流体控制方程采用k-ε紊流模型封闭雷诺方程组,流体的控制方程在三维直角坐标系下的通用形式为:式中:Φ为通用变量;Γ为广义扩散系数;ρ为密度;SΦ为源项。2流场空间和流场时空对vof模型表面通量的影响采用VOF模型跟踪自由表面,其方法是:定义一个流体体积函数F,一个单元内F的平均值表示该单元内流体所占体积的百分比,按照流体的物理性质定义:当流场空间为气体时,F=0.0,为液体时F=1.0,在气体与液体的交界面F在0～1之间,F的控制方程为:当采用有限体积方法离散控制方程时,需要计算通过控制体表面的对流扩散通量。这里采用几何重组方法计算VOF模型中的表面通量,采用分段线性的方法表示流体间的分界面。假定在每一控制单元内流体间的界面存在一线性坡度,用这一线性坡度来计算流经控制体表面的扩散通量。3离散方程和求解方法3.1对流—方程的离散方程的离散采用交错网格的有限体积法,将变量p,k,ε,F置于控制体中心,u,v,w控制体与压强控制体交错布置,对流—扩散项的离散采用幂函数。在水气交界面处,由于物理性质的不连续,在计算中易产生数值扩散,因此在离散F控制方程时,采用迎风差分格式,计算中有效地控制时间步长。3.2出口压力u+v+w进口处由流量算出平均速度uin,vin=win=0,并给定水深;紊动量k,ε按下式给出:kin=αin(u+v+w),εin=cμk/lm(αin可取为0.003～0.005,lin常取0.03R,R为水力半径)。出口处给定出口压强为一个大气压,其余参数按出口边界条件获得。对近壁区流动,采用壁面函数来模拟,壁面上采用无滑移条件。采用SIMPLE算法求解离散方程,并详细验证了模型的正确性和程序的可靠性,这部分内容见文献。4应对自然因素溢洪道出口挑坎体型的设计主要是考虑到工程地形、地质等条件的限制,避免水流流过出口挑坎段发生空蚀破坏,而且保证出坎水流顺利落入下游河道而有针对性地进行的。溢洪道出口挑坎体型设计方案见图2。5水舌抛落点在相同的运行方案下(校核工况)数值计算了三种不同出口挑坎体型的溢洪道内的水流流动情况,计算区域从进口引渠段到出口水舌抛落点。校核工况的控制参数为:最高库水位为853.78m,下泄流量为6831m3/s。5.1挑坎出口水体不均匀,边墙平面偏转图3为三种体型挑坎出口断面水深分布。图3(a)为体型1的挑坎出口水深分布,可以看出掺气水流平顺进入挑坎,在挑坎内受到强大的离心力的作用,两侧壁的水流形成了15～20m的水位差,造成在挑坎的出口断面水深分布极不均匀。图3(b)为体型2的挑坎出口水深分布,同样出口断面水深分布不均匀,外侧水位线达到810.2m,水深为31.3m,内侧水位线达到769.2m,水深为3.87m,在整个出口断面上,最大水深为31.3m,最小水深为3.87m。图3(c)为体型3的挑坎出口水深分布。由于受边墙平面偏转的影响,左边墙水面线沿程迅速升高,而右边墙水面线则沿程逐步降低。水流流过挑坎段,流速较大并产生非常大的离心力,造成挑坎左边墙水深增加,右边墙水深缓慢减少,左右边墙的水深相差8～15m。与前两种体型的挑坎相比,体型3的挑坎出口断面水深分布趋于平顺,水流较稳定。5.2之间部位流速分布图4为三种体型挑坎出口速度分布。图4(a)为体型1挑坎出口流速分布,从流速矢量的方向可以看出出口断面水流的出流方向相差较大,出口断面外侧水流向内侧抛出,内侧水流向出口断面的外侧喷射,出口的中间部位水流流速垂直于出口断面,出坎水流的最大流速约为35.68m/s。图4(b)为体型2挑坎出口流速分布,流速矢量的方向表明了出口断面外侧水流向内侧翻转,内侧水流向出口断面的外侧喷射,而且从出口断面水深的分布得知,在出口断面处外侧水流向内侧翻转的水量较大,相应地内侧水流向外侧喷射的水量相对较少。出坎水流的最大流速约为36.11m/s。图4(c)为体型3挑坎出口流速分布,挑坎出口断面上的流速分布的不均匀性得到改善,靠近左边墙的水流以较大的流速向挑坎转弯的内侧上方喷出,而右边墙的水流则向外侧流出。这样的出口速度分布有利于控制水舌的落点,同时增强水流的空中扩散。5.3挑坎水流抛射图5为三种体型的挑坎水流抛射形态。图5(a)为体型1的挑坎水流抛射形态,溢洪道下泄水流经挑流坎抛射至下游时,出口段水流极不平顺和稳定,从图上可以看出,外侧上缘的水流抛射距离较短,且发生翻转,落在了外侧下缘抛出的水体上,从外观上看,犹如两股水流交叉抛射。而且出坎挑流水舌比较集中,水流落点靠近河道左岸,对下游河道边坡的稳定不利。图5(b)为体型2的挑坎水流抛射形态,从图中可以看出出口断面外侧抛射水流完全翻转,内侧水流则向出口外侧喷射,从平面上看内外侧抛射水流交错但没有产生碰撞,出口断面中间部位水流抛射最远,出坎水流完全跌入河床内,但水舌的扩散有待改善。图5(c)为体型3的挑坎水流抛射形态,水舌扩散情况较好,一方面,左边墙水流向右侧的翻卷比较充分,由于水舌翻卷有力,水舌扩散情况良好,入水水股分布均匀。另一方面,右边墙水流服从一般的挑流水舌分布规律,挑流水舌与左边墙水舌基本上互不搭接,挑流水舌的入水位置也比较令人满意。从水舌入水外缘分布范围看,计算值与试验值1相吻合。6挑瞳的入水位置及d(1)通过对三种不同出口挑坎体型的溢洪道内水流的数值模拟分析,得出体型3的挑坎是较为理想的方案,在计算工况下,挑坎段水流流态稳定,流速和水深分布区域均匀,挑坎左右边墙水深差距减小,水流抛射后挑流水舌扩散情况良好,入水水股分布均匀,左边墙水流向右侧翻卷,右边墙挑流水舌