小石峡水电站溢洪道消力池结构优化的三维数值模拟

鲁克恩,葛旭峰,李 琳

(1.新疆水利水电勘察设计研究院,新疆 乌鲁木齐 830000;2.新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐 830052)

0 引 言

水利水电工程中遇到的问题多是边界条件复杂、水气混掺、存在多个自由水面的水流运动,因此对于水流流场的计算不同于单一空气场的计算,需采用两相流模型。由于对自由水面的处理比较困难,目前,采用VOF法能有效的追踪自由水面,满足工程需要。苏燕等[1]采用VOF方法对大单宽流量岸边溢洪道水力特性进行了三维数值模拟,张一等[2]采用VOF法对溢洪道流场的水流特性分别进行了二维和三维数值模拟,李玲等[3]以溢洪道内水流流动为例,得出VOF法能够精确地跟踪自由水面。本文以新疆库马拉克河小石峡水电站溢洪道为例,采用FLUENT流体计算软件,利用 RNG k-ε紊流模型及VOF法相结合成功的模拟了溢洪道消力池内水流流场,并与试验结果对比,结果表明两者吻合较好,从而为溢洪道泄洪提供参考依据[4]。

1 工程概况

小石峡水电站位于新疆库阿克苏地区,是库马拉克河中下游规划开发中的二级水电站。小石峡水电站以发电为主,电站总装机容量110 MW,最大坝高63.3 m,总库容0.69×108m3。枢纽工程主要由大坝、表孔溢洪道、导流兼深孔泄洪洞及发电引水洞等建筑物组成。表孔溢洪道原设计消力池为矩形断面下挖式消力池,消力池长82 m,边墙高17.8 m,但是原设计方案在设计洪水1856.2 m3/s时消力池内水流脉动剧烈,强烈紊动产生的压力脉动可能诱发护坦的振动和破坏,并使结构产生随机振动。因此,通过试验对消力池体型及尺寸进行优化。小石峡水电站溢洪道优化后体型如图1所示。

图1 溢洪道体型图

2 数学模型

在紊流模型中,本文采用Yakhot和Orszag建立的RNG k～ε紊流数学模型[5],其考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况,可以更好的处理高应变率及流线弯曲程度较大流动,使得RNG k～ε模型具有更高的可信度和精度。其连续方程、动量方程和k、ε方程分别表示如下:

式中:ρ和μ分别为体积分数平均的密度和分子粘性系数。P为压力,u为速度。方程中的经验参数为

对自由液面的处理,采用数值模拟中常用的VOF模型。采用有限体积法对控制方程组进行离散,离散方程组的求解采用欠松弛迭代方法,压力-速度的耦合求解采用PISO算法。

3 网格划分及边界条件

为了准确的模拟溢洪道消力池内的水流特征,选定整个溢洪道为计算区域,从溢洪道进口(桩号0-069 m)到消力池护坦末端(桩号0+458.16 m)。由于模拟区域大,消力池段结构比较复杂,本模型在网格划分时采用非结构化网格和结构化网格相结合,其中消力墩附近采用非结构网格划分,其余采用结构化网格,网格单元数61500个。进口采用速度进口,其值通过实测流量换算成进口流速。出口边界设定为自由出流与压力出口。进壁区采用标准函数法进行模拟,壁面采用无滑移流速边界。

计算以进出口流量的的差值作为判断计算是否完成的依据,当进出口的流量误差小于5%且残差满足精度要求时,则计算完成。

4 结果与分析

根据溢洪道设计消力池的实际运行情况,选择消力池设计洪水1856.2 m3/s为例对整体溢洪道进行计算,计算分别获得了溢洪道消力池段水面线分布、压力分布及断面流速分布等,并将数值模拟计算结果与实测结果进行了对比。图 2为设计洪水1856.2m3/s时,数值模拟溢洪道的泄洪流态。图中明显的可以看出水气分界线。

图2 溢洪道泄洪流态图

4.1 水面线

水面线作为溢洪道体型设计中的重要参数,通常通过水工模型试验对其进行量测。图3为溢洪道陡坡段与消力池段中轴线数学模型计算水面线与物理模型试验值的比较,计算水面线选取水气相各占50%的水气交界面。从图3可以看出,总体上吻合较好。在消力池的首部,由于水流紊动强烈,区域内水面破碎加剧,掺气量加大,数值模拟结果与实测值存在一定的误差。

图3 溢洪道消力池内水面线计算值与实测值对比

4.2 底板压强

图4给出了溢洪道陡坡与消力池底板中轴线位置上的压强数值模拟结果与物理模型试验值的比较。结果表明,在消力池的前部压强稍有偏差外,其他位置两者吻合均较好,且其误差小于5%,分析产生误差的原因在于物理模型中水流进入消力池后,水面波动较大,随机性很强,进而量测时很难对其进行定位。但是数值模拟采用的时均紊流模型,对于破碎自由水面的扑捉有一定的精度,因此两者在确定标准方面就存在一定的误差。

图4 溢洪道消力池内压强计算值与实测值对比

4.3 流速分布

图5为溢洪道消力池5个典型断面中轴线2/3水深处流速分布。由图5可以看出,受梳流墩与消力墩的影响,水流入池流速减小,桩号0+332.66 m断面处的平均流速为10.27 m/s,满足消力池内设置辅助消能工时消力池允许的入池流速16 m/s[6]。流速大小变化趋势与实测结果吻合较好。

5 结 语

图5 溢洪道消力池内典型断面流速计算值与实测值对比

本文利用RNG k-ε紊流模型和追踪自由水面VOF法对小石峡水电站溢洪道优化后的结构型式进行了三维数值模拟,获得了陡坡段与消力池段的自由水面线、底板压强分布以及典型断面的流速分布等参数。并将数值模拟结果与模型试验结果进行了对比,两者吻合较好,表明优化后的溢洪道消力池结构型式满足设计泄洪的要求。为实际工程设计优化提供依据。

[1]苏燕,张 挺,麦栋玲.大单宽流量岸边溢洪道水力特性三维数值模拟[J].福州大学学报,2008,36(5):758-762.

[2]张一,刘韩生.查汗乌苏溢洪道流场二维和三维数值模拟对比[J].人民长江,2010,41(8):89-91.

[3]李 玲,陈永灿,李永红.三维VOF模型及其在溢洪道水流计算中的应用[J].水力发电学报,2007,26(2):83-87.

[4]屈磊飞,王林锁,陈松山,等.闸站合建枢纽泵站三维水流的数值模拟[J].水利与建筑工程学报,2006,4(1):15-17.

[5]张政,谢灼利.流体-固体两相流的数值模拟[J].化工学报,2001,52(1):1-12.

[6]花立峰,卢军,寿韦冈.分流墩-消力墩-消能池在工程中的应用[C]//泄水工程与高速水流论文集,吉林:吉林科学技术出版社,1998:77-83.