基于cfd的溢洪道挑流鼻坎挑流三维数值模拟

基于cfd的溢洪道挑流鼻坎挑流三维数值模拟

随着现代节水的发展，高流量和高排放的建筑越来越多。因此，相关高速节水工程也越来越突出，引起了人们的关注。近20年来随着紊流理论及计算技术的发展,数值模拟技术逐渐成为研究水工水力学复杂问题的重要手段,高速水流及消能的紊流数值模拟技术得到不断的发展和完善,并广泛应用于实际工程中。BruceM.Savage和MichaelC.Johnson在1999年通过标准Ogee堰水流参数的研究,分析比较物理模型和数学模型数据,总结出数值模型的研究方法,2004年JeanChatila和MazenTabbara使用有限元软件ADINA,采用k~ε模型对Ogee堰水力特性进行了研究,取得令人满意的结果。1993年王奇峰等采用极坐标系的水流控制方程和k~ε模型模拟了反弧水流的运动特性;1994年马福喜等采用标准k~ε模型,并用VOF(volumeoffluid)法追踪自由水面,计算了溢流坝上的整个流场;2006年董延超等采用RNGk~ε紊流模型,利用流体体积分数(VOF)模型求解曲线自由水面和笛卡尔自适应网格来剖分计算区域,对大伙房水库陡槽式溢洪道流场进行了三维紊流数值模拟,这些研究成果为对泄水建筑物复杂水流的精细数值模拟累积了相当多的经验和技术。本文采用VOF方法、非结构网格,结合RNGk~ε紊流模型模拟了威远江水电站岸边式溢洪道三维复杂紊流流场,对威远江水电站岸边式溢洪道挑流鼻坎形式及水力特性进行研究,为威远江水电站岸边式溢洪道挑流鼻坎的设计及优化提供依据。1挡水及洪水设计威远江水电站位于云南省思茅地区景谷县境内威远江下游河段上,是威远江干流的唯一骨干电站。威远江电站紧接糯扎渡水库库尾,糯扎渡水库建成后,该河段即成为糯扎渡水库淹没区。因此,下游对威远江电站无防洪、灌溉和供水要求,威远江电站开发任务较为单一,即水力发电。威远江水电站装机容量3×24MW,年发电量2.9632亿kW·h。挡水建筑物为粘土心墙堆石坝,坝顶高程910.000m,最大坝高93m,坝顶长240m。威远江电站主要泄水建筑物为右岸溢洪道及泄洪洞。挡水和泄洪建筑物均按100a一遇洪水设计,相应洪峰流量为3320m3/s;按2000a一遇洪水校核,相应洪峰流量为5460m3/s。右岸岸边式溢洪道紧靠右坝肩,轴线方向与坝轴线垂直,为枢纽的主要泄洪建筑物。由引渠、堰体闸室段、泄槽和挑流鼻坎4部分组成。堰体闸室段长30m,堰型为混凝土重力式WES实用堰,堰顶高程893.000m,前缘宽度24m,堰上分2孔,中墩厚4m,每孔净宽10m,各装设10m×12m的弧形工作闸门1扇。溢流堰后接矩形泄水明槽,泄槽设置中隔墙,泄槽长269.337m,宽2×9.5m,依据地形和归槽情况,设计前段为缓底坡i=1%,中后段为陡槽,坡角25°,槽深10.0~9.0m,最大流速36.8m/s。溢洪道出口采用挑流消能,挑流鼻坎顶高程837.500m、反弧半径30m、挑射角30°(见图1)。2数学模型2.1计算损伤系数数学模型采用RNGk~ε双方程湍流模型,他来源于严格的统计技术,和标准的k~ε模型很相似,但是考虑了湍流漩涡,考虑低雷诺数流动粘性,使得RNGk~ε模型更广泛的应用于粘性湍流计算,具有更高的可信度和精度。连续方程:∂ui∂xi=0(1)∂ui∂xi=0(1)动量方程:∂ui∂t+uj∂ui∂xj=-1ρ∂p∂xi+Gi+τbiρ-1ρ∂τij∂xj(2)∂ui∂t+uj∂ui∂xj=−1ρ∂p∂xi+Gi+τbiρ−1ρ∂τij∂xj(2)K方程:∂k∂t+uj∂k∂xi=vt(∂ui∂xj+∂uj∂xi)∂uj∂xi+∂∂xj(αkνeff∂k∂xj)-ε(3)∂k∂t+uj∂k∂xi=vt(∂ui∂xj+∂uj∂xi)∂uj∂xi+∂∂xj(αkνeff∂k∂xj)−ε(3)ε方程:∂ε∂t+uj∂ε∂xi=cε1εkvt(∂ui∂xj+∂uj∂xi)∂ui∂xi+∂∂xj(αενeff∂ε∂xj)-cε2εk-R(4)∂ε∂t+uj∂ε∂xi=cε1εkvt(∂ui∂xj+∂uj∂xi)∂ui∂xi+∂∂xj(αενeff∂ε∂xj)−cε2εk−R(4)其中:R=cμη3(1-ηη0)ε2(1+cε3η3)ΚR=cμη3(1−ηη0)ε2(1+cε3η3)Kveff=vt(1+√cμkμε)2η=√(∂ui∂xj+∂uj∂xi)∂ui∂xjkε式中,ui为i方向上的速度分量(i=1、2、3);t为时间;xi为i方向上的坐标;p为压强;ρ为密度;Gi为i方向的加速度;τij为粘性应力;τbi为墙体的剪切应力;υt为涡粘性系数;μ为动力粘性系数;cε1,cε2,cε3,αk,αε,η0和Cμ均为常数。RNG理论认为:Cε1=1.42,Cε2=1.63,Cε3=0.012,αk=αε=1,η0=4.38,Cμ=0.085。2.2单次运行状态对于自由水面的确定采用高效的VOF法。VOF法是Hirt和Nichols于1975年提出的,1981得到进一步完善的一种处理复杂自由表面的有效方法。该方法基本思想是定义体积分数函数:F=F(x,y,z,t)。在单个计算单元中,若F=1,则表示该单元被流体充满;若F=0,则表示它是一个空单元;若0<F<1,则表示该单元部分充满流体。水气界面的跟踪则通过求解连续方程来完成:∂F∂t+ui∂F∂xi(5)式中,t为时间;ui和xi分别为速度分量和坐标分量。自由水面的具体位置则采用几何重建格式来确定,它利用分段近似方法来表示自由水面线。2.3对生长着的下建立加工网格采用非结构网格对计算区域进行网格划分。并在初步计算结果的基础上,采用网格自适应技术,对关心的挑流水舌的区域进一步加密网格,以获得更为精细的流场结果。计算区域由溢洪道挑坎及下游简化水池两部分组成,其计算设计范围为:顺水流x方向总长度为240m,沿宽度y方向总长度为220m,沿水深z方向总长度为90m。2.4初始条件的确定计算域边界条件是由流动的特性决定的,边界条件的选取与计算问题的物理边界直接相关。入口边界条件采用压力入口边界和速度入口边界。对于恒定流量的来流,采用速度边界,并近似假定流速均匀分布在速度入口界面上,液体速度入口单宽面积A=107.8m2,入口处水流平均流速um=22.3m/s,水力直径DH=10.38m。因采用VOF方法,空气压力入口边界的流速ua=0;出口边界条件采用自由出流边界,上边界采用气体压力边界,其总压力为大气压力。整个溢洪道溢流挑坎、底板和边墙都按无滑移壁面边界条件处理,湍流壁面采用壁函数来处理,光滑壁面函数为:utan=us[1kln(ρusy0μ)+5.0]式中,k为卡门常数;μ为动力粘性系数;y0为到壁面的距离,us为墙体剪切速度;utan为流体距离墙体y0处的流速。初始条件的确定参照物理模型试验数据,依据水库水位、泄流量来确定入口流速和水深。将水体区域的体积分数设为1,其它非水区域体积分数为0;紊流参数,如紊动动能k和紊动耗散率ε的初始值由经验公式计算给出。2.5压力耦合处理本文采用有限体积法对微分方程进行离散,求解方法采用simple算法,用PISO算法求解压力与速度耦合,压力项的处理采用BodyForceWeighted方法,用一阶迎风格式求解对流项。3工程的主要问题和修改计划3.1m、挑射角溢洪道出口消能采用连续式挑流鼻坎。原方案溢洪道挑坎设计方案为:挑坎顶高程837.5m、反弧半径30m、挑射角30°(见图1)。由于溢洪道与下游河床走向交角较大,约为42°,并且威远江河谷较窄,在物理模型试验中发现,当出现最大设计流量时,水舌的挑距较大,挑出去的水舌直达河床左岸,造成水花沿坡纵横飞溅,引起水流对左岸的冲刷,造成冲坑下游河床的泥沙淤积,不利于水流下泄,同时也对大坝和下游岸边建筑物安全造成威胁。3.2连续式平尾布置为调整水舌入水的方向,改善挑流鼻坎水舌冲刷下游左岸,修改方案拟将原连续式平尾布置方式改为连续式一刀切斜鼻坎布置方式。为进一步研究挑流特征参数随斜切角度的变化,找到最佳斜切角度,选择了斜切角度分别为6°、12°、18°、22°四个方案,并对平尾连续挑坎进行了数值计算分析。4计算结果和分析4.1连续挑坎物理模型试验成果和数值模型成果的比较为了对数值模拟准确性进行验证,将平尾连续挑坎的物理模型试验成果和数值模拟计算成果进行了比较,比较结果见表1。结果表明,两者吻合较好,误差小于3%。4.2中央角度各不同角度斜切挑流鼻坎计算结果见表2,水舌平面图见图2。数值模拟计算结果表明:原方案连续挑流鼻坎改成右高左低、左短右长的一刀切斜鼻坎后,不仅可以扩展挑流进入空中的水舌形状,增加水流与空气接触摩擦,使水流更好的在空中消能从而增加消能率,而且斜切鼻坎明显调整了水舌主流位置,即最远挑流水流轴线位置,使入射水舌随斜切角度的增加向鼻坎右侧移动;同时,随着斜切角度的增大,可以看到左侧水舌的挑距由83.79m减小到72.85m,因此明显而有效地减轻了对右岸山坡的冲刷。计算结果表明,较优斜切角度为22°,此时,鼻坎左侧切短8m,鼻坎仰角右侧为30°,左侧仰角为12.84°,鼻坎顶高程右侧为837.50m,左侧为834.31m,按此修改设计溢洪道挑流鼻坎见图3。物理模型试验进一步研究表明,数值模拟计算选定的优化方案效果较好,在正常高水位和设计水位时泄洪水流能顺利归槽,校核洪水流量时也无直冲对岸山坡,水势流态较平尾坎大有改善。从溢洪道和泄洪隧洞联合泄水的冲刷坑可见,在溢洪道和泄洪隧洞下游各形成一个冲坑,冲刷程度以溢洪道下游较为严重,但其冲坑最深点高程为802m,冲刷深度小于20m,这样基本满足将冲刷深度控制在20m以内的设计要求。5计算值与实测值对比情况(1)针对威远江主溢洪道挑流消能工程实际,采用RNGk~ε紊流模型与流体体积分数(VOF)法相结合,成功地模拟了威远江水电站挑流鼻坎上的三维紊流流场,计算值与实测值误差率较小,具