泄洪洞反弧段末端设置掺气坎布置方案的探讨

泄洪洞反弧段末端设置掺气坎布置方案的探讨

结合中国当前节水技术的实际情况，随着水库高度的增加，出流区的流速增大。在高流速下，污水处理厂的含水量减少是中国当前水电工程建设中必须尽快解决的一项重要技术问题。反弧段是水工泄水建筑中一种常见的连接形式,溢流坝下游反弧段的作用是使溢流坝面下泄的水流平顺地与下游消能设施相衔接;泄洪洞反弧段的作用是使下泄水流平顺地与下游直坡段衔接,保证洞内水流流态。溢流反弧段在高水头大型水利水电工程的泄水建筑物中被广泛采用,在高流速下,为了减免反弧段下游底板的空蚀破坏,工程中一般在反弧末端设置掺气坎;在反弧段设置掺气坎后,受反弧段水力特性影响,一方面要保证水流的流态,另一方面要使得下游过流面免受空蚀破坏,这就给掺气设施体型的设计带来一定的难度,尤其在小底坡、低佛氏数流动情况下,由于重力作用显著,掺气坎后空腔内容易积水,对掺气特性有显著影响,底部掺气效果往往不理想,因此反弧段的水力特性研究一直是设计和科研工作的重点。文献指出掺气坎后空腔长度和通气量成正比,较长的空腔长度是掺气坎设计优良的标志;文献总结国内外的文献,提出了空腔长度是掺气坎设计最为重要的参数;文献[1,4-9]对掺气坎的空腔长度进行了大量试验和理论方面的研究,因此增加空腔长度对改善掺气坎的掺气效果有重要意义。目前对掺气体型本身及掺气坎后水流水力特性的研究相对较多[10,11,12,13,14,15,16],所研究反弧段后掺气坎的位置大多数均布置在末端,对反弧段末端掺气坎的相对位置研究相对较少。作者拟研究在反弧末端设置掺气坎,其后为小底坡条件时,将反弧段末端水流的突出水力特性与掺气坎后空腔长度的关系结合起来,研究掺气坎在反弧末端的相对位置和空腔长度的关系,进一步寻找掺气坎的合理布置,消除反弧段本身所带来的不利因素对掺气后空腔特性的影响,其目的是改善掺气坎后水流的水力特性,确保下游过流面免遭空化空蚀破坏。1通过反弧段+涨坎方式来分析目前反弧段与下游底板的衔接形式有3类:反弧+跌坎,反弧+水平段+跌坎,反弧+挑坎+跌坎。工程中多采用反弧+跌坎和反弧+挑坎+跌坎的形式,对于反弧+水平段+跌坎的形式采用的较少。罗克湘曾对白云水电站高水头明流泄洪洞试验研究中得出,在最大单宽流量为196m3/(s·m),流速在38~42m/s情况下,掺气设施在反弧末端水平延长线上,掺气效果最佳。文献指出反弧段壁面曲率对流线曲率有直接影响,溢流坝反弧离心力压强对反弧切点上下直线段的影响范围为相对弧长的0.25倍。反弧离心力压强对反弧段后直线段的水流特性有影响,因此它对掺气坎后的空腔特性也会有影响。2建立网格模型目前对明流泄洪洞流场的模拟多采用k-ε双方程紊流模型以及处理自由水面的VOF模型,在对计算区域网格采用结构化与非结构化网格,以及贴体网格相结合来进行。作者将结合前人的研究称成果,引入VOF法的k-ε双方程紊流模型,对泄洪洞进行了全流场模拟。采用k-ε双方程模型来对明流泄洪洞水流流场进行模拟,k-ε紊流模型的连续方程、动量方程和k、ε方程分别表示如下:连续方程:动量方程:k方程:ε方程:式中,参数的物理意义详见文献[19,23-25],采用控制体积法对偏微分方程组进行离散,采用点隐式高斯——塞德尔迭代方法对线性化的方程组进行求解。3结果对比与验证整个模拟计算区域包括泄洪洞进口、反弧段和下游直坡段。图1为泄洪洞纵剖面图。在划分网格时,对重点部位如进水口、掺气坎附近等进行了加密,一般部位采取适当放宽的原则。为了检验网格密度对计算结果的影响,重点对反弧末端和水舌冲击区网格不同间距进行了对比分析,当沿程水面、压力分布以及水舌落水点位置等计算结果基本趋于稳定时,选择网格密度。为了验证所选数学模型的有效性,将计算结果中的流场水力参数与模型试验结果进行了比较,重点比较了反弧段和下游直坡段水面高程和空腔长度。图2为计算和试验的水面线对比曲线,结果表明水面高程的计算值与试验值吻合良好。图3为不同单宽流量下实测的空腔长度与计算空腔长度对比曲线,图中实测的空腔长度为目测水气交界线对应数值,计算的空腔长度分别采用了掺气坎后底板上压力的峰值和空腔底缘掺气浓度C=0.6的边界线两种情况所得的的空腔长度,以便进行比较;结果表明空腔长度的实测值略小于根据底板上压力的峰值和空腔底缘掺气浓度C=0.6所得的空腔长度值,其误差小于10%,其原因主要由试验测量误差引起。纵上所述,所选模型数值模拟能够全面反映泄洪洞流场的水力特性,其模拟精度满足要求,所选数学模型合理可靠。4结果和分析4.1研究条件的确定文献指出溢流坝反弧离心力压强对反弧切点上下直线段的影响范围为相对弧长的0.25倍,文中把反弧离心力对其后水平段的影响称为“反弧附加离心力”作用。首先对反弧段的水力特性进行研究,从反弧离心力在直线段的分布规律来说明反弧附加离心力对下游直坡段的影响,以此来确定研究衔接形式的范围。具体的方案为:在反弧段后接水平延长段(水平段的起点为反弧下切点),对没有设置掺气设施的情况下,研究不同的单宽流量和反弧半径时,反弧离心力在水平延长段的分布规律,其来流条件和体型尺寸见表1和图4。表2为不同反弧半径和不同的单宽流量时,反弧离心力对其下切点直线段的影响范围和反弧弧长的比值关系。结果与文献结果相接近,同时也充分说明反弧附加离心力对掺气坎后空腔特性有一定影响,当反弧半径一定时,单宽流量越大其影响范围就越大。4.2掺气坎体型变化结合计算模拟体型一的结果,作者拟研究掺气坎设置在不同的水平延长段位置,掺气坎后底坡坡度为0.079情况下,掺气坎体型分为跌坎和挑坎加跌坎两种情况,以此来考察水平延长段的压力梯度变化情况。为了得到反弧附加离心力对其下切点直线段的影响范围的特性,本文考虑水平延长段的长度为0~20m范围内的情况,其长度与反弧弧长的比为0~0.33,其研究范围包括了附加离心力的影响范围,表3为计算工况水力特性表。4.3结果分析4.3.1附加离心效应约定空腔长度指空腔段射流在底板上压力峰值所在位置与水流出射位置之间的距离。首先对反弧段后只接跌坎情况进行模拟,文献指出溢流坝反弧离心力压强对反弧切点上下直线段的影响范围为相对弧长的0.25倍,作者以单宽流量为336m3/(s·m)作为特征流量为研究对象。结果表明,在反弧末段增加水平延长段后,掺气坎后空腔长度有明显增加区间,当水平延长段长度在0~10m范围为空腔长度明显增加区间,其水平延长段长度与反弧弧长的比为0.16,在此范围内最大增加百分比为30%,在10~20m以后空腔长度增加幅度减小,并逐渐趋于稳定,见图4。上述模拟结果表明,反弧段附加离心力对反弧切点上下直线段的压力分布有明显影响,反弧离心力在下切点后有一定的过渡段,随着附加离心力作用的减小,在水平延长段上水舌出射角也具有一定的过渡特性,掺气坎后空腔长度呈增加趋势,因此附加离心力特性对空腔长度有直接影响,称为反弧离心力效应。由于水平延长段长度在0~10m范围为空腔长度明显增加区间,因此数模重点对此范围内进行了计算,模拟的工况包括单宽流量为280m3/(s·m)和336m3/(s·m),挑坎的挑角θ=0和θ=0.1,即挑坎坎坡为1∶10,高度为0.1m。图5为反弧段后掺气坎体型分为跌坎和挑坎加跌坎两种情况下,不同的水平段长度与空腔长度关系曲线。结果表明,当跌坎或跌坎和挑坎布置在反弧末端水平延长段上,空腔长度均有明显增加,单宽流量为280m3/(s·m)和336m3/(s·m)时,空腔长度的最大增加百分比分别为20%和30%。4.3.2反弧末端水平延长段图6~7为在不同的挑角情况下,采用不同长度水平延长段后,沿程压力分布关系曲线,图6为反弧段后接跌坎情况,图7为反弧段后挑坎和跌坎的情况,图中,0点为水平延长段的起点,向上负值区域为反弧段,向下正值为水平延长段。计算结果表明,在反弧末端设置水平延长段后,反弧段末端压力分布得到了改善,沿程压力变化梯度变缓,从而降低边界层切应力,同时也减小了发生空化空蚀的可能性。对比有挑坎和没有挑坎的情况可知,加设挑坎后,挑坎前的压力梯度变化较缓,但在挑坎出口段出现了压力陡降区,由于该区域范围较小,在工程实际中应严格控制其平整度,可以减免发生空蚀破坏。总之,在反弧末端设置水平延长段后,一方面可以改变反弧末端的压力分布,减弱了反弧末端的压力梯度,有效改善其防空化特性,另一方面在反弧段后采用水平延长段后,随着反弧附加离心力的释放,空腔长度增加,空腔区的挟气能力增大,有利于增加下游底板的掺气保护范围。5反弧段附加离心的影响应用数值模拟、模型试验的方法,对泄洪洞反弧段末端的掺气坎布置进行了研究,其主要结论如下:1)反弧末端设置掺气坎后,来流边界条件与掺气设施的掺气特性有关,反弧段与掺气坎的衔接形式对空腔长度有直接影响。2)反弧段附加离心力对反弧切点上下直线段的压力分布有明显影响,在反弧末段增加水平延长段后,离心力在反弧段后没有立即消失,反弧段下切点之后附加离心力具有过渡性质;随着附加离心力作用的减小,掺气坎后空