洞塞消能特性数值模拟研究

丁天明，张　敏，艾万政

（浙江海洋学院海运与港航建筑工程学院，浙江舟山 316022）

洞塞消能特性数值模拟研究

丁天明，张敏，艾万政

（浙江海洋学院海运与港航建筑工程学院，浙江舟山 316022）

摘要：洞塞消能工作为一种新型的内消能工形式，已引起了国内外很多人的关注。本文运用数值模拟方法对这种形式消能工的消能特性进行了精确模拟。研究结果表明，洞塞回流区是能量损失的源地。洞塞能量损失系数主要受到孔径比的影响。随着孔径比的增加，能量损失系数逐步减小，回流区长度减小。

关键词：洞塞；数值模拟；能量损失系数；模型；孔径比

图1　　消能洞塞Fig.1　Plug discharge tunnel

洞塞式消能工是利用水流在有压泄洪洞内的突阔突缩而产生的旋滚、摩擦来达到消能的目的。在国外，美国的格伦峡坝（Glen Canyon）临时泄水孔和加拿大麦加坝（Mica）最早采用了这种消能方式［1］。在国内，目前尚无工程应用实例。但是作为一种相对新型的消能工，由于其泄洪时具有流态稳定、结构简单、水流参数易于控制等特点，已开始受到国内很多人的关注。洞塞的水流流态如图1。国内外针对洞塞的水力学特性开展了大量的研究，取得了丰硕的成果［2-4］。虽然洞塞方面的研究较多，但是，洞塞水力学特性的研究还有不太完善的地方，如洞塞水流的恢复特性、紊动能耗散特性以及水流流态特性等等。因此，有必要加强这方面的研究，以便进一步认识洞塞的水力学特性，为洞塞设计奠定基础。本文的主要目的，就是运用数值模拟的途径，针对洞塞研究的一些盲区问题开展研究，以便进一步揭示洞塞水

1理论分析

洞塞消能的机理是利用水流在洞塞前的突缩和洞塞后的突阔引起水流的急剧变化，在水体间产生的强烈剪切、旋滚、摩擦来达到消能的目的。在图1中取断面1-1和断面2-2。其中断面1-1是洞塞前水流未扰动断面；断面2-2是孔板后水流恢复断面。在断面1-1和断面2-2之间列能量方程可以得到：

式中：p1和p2分别是断面1-1和断面2-2上的平均压强；a1和a2分别为断面1-1和断面2-2上的动能校正系数；z1和z2分别为断面1-1和断面2-2水头距基准面的距离；u为泄洪洞内的平均流速；λl/4R为沿程水头损失系数；ξ为洞塞局部能量损失系数。如果以泄洪洞轴心水平面为基准面，且忽略沿程损失，考虑到动能校正系数a1和a2差别较小，近似认为它们二者相等。利用量纲分析方法可以定义单级洞塞能量损失系数［5-6］：

2计算模型

本文研究的是紊流状态下的洞塞消能问题，考虑雷诺平均假定，选用时均化的控制方程。已有研究选用k-ε湍流模型，取得了较好的结果。由于在洞塞附近流线弯曲较为厉害，选用RNG k-ε能很好的反应流线变化情况，因此本文采用RNG k-ε模型，恒定流时不可压缩的高雷诺数湍流RNG k-ε模型的控制方程的张量形式如下［2］：

连续性方程：

动量方程：

k方程：

ε方程：

3计算结果讨论

3.1消能特性分析

已有文献［7-10］研究了洞塞中来流的雷诺数与能量损失系数的关系，指出水流处于层流过渡区及紊流等不同状态时，能量损失系数随雷诺数Re的变化规律不同。在层流区能量损失系数随Re的增大而减小，在过渡区能量损失系数随Re的变化规律与层流区大致相同，但已不是线性关系，在充分紊流区（Re＞104-106）时，能量损失系数基本上不再随Re变化。图2是数值模拟得到的孔径比d/D为0.7时能量损失系数与雷诺数的关系，图2所得的结论充分证明了以上观点。

水流通过洞塞所产生的能量损失，主要是水流流经洞塞时在洞塞前、洞塞内及洞塞后面形成的突缩扩引起水流的剧烈变化而产生的。与突扩相比突缩消能相对较少。图3是水流通过洞塞形成的流线等值线图，从图3可以看出水流通过时，在洞塞内和洞塞后都形成了不同大小的漩涡，但洞塞后的漩涡区域较大是消能的最主要区域。水流进入洞塞后流在洞塞内形成一个较小的回流区域，在这个区域内紊动能和紊动能耗散最为强烈而且靠近洞塞边壁的紊动能和紊动能耗散率较中心区域为大。水流在通过洞塞后形成一个较大的突扩区域，并在此区域形成一个较大的回流区，此时的紊动能和紊动能耗散都不如前面那样强烈，此后紊动能及其耗散都逐渐减小，直到水流的流态重新恢复稳定（紊动特性如图4）。

图2　雷诺数与能量损失系数关系Fig.2　The relationship between Reynolds number energy loss coefficients

图3　流线等值线图（kg·s-1）Fig.3　Streamline indication

图4　紊动能等值线图（m2·s-2）Fig.4　Turbulence energy indication

图5表明了洞塞能量损失系数与相关因素的关系。图5表明：在同一厚径比下能量损失系数随着孔径比的增大而减小，因此，改变洞塞的孔径比对消能效果的影响是较为显著的。孔径比为0.8时的水头损失系数只有1左右，而在孔径比为0.5时水头损失系数最大到24左右。在孔径比从0.8到0.6之间变化时水头损失系数随厚度的增加变化稍缓，但孔径比从0.6到0.4之间变化时，能量损失系数随厚度的变化率较大。这主要是因为当孔径比较大时，厚径比的增加对水流的流态已经没有多大的影响，沿程能量损失所占比例不大。但当孔径比较小时，厚径比对能量损失系数有一定影响，此时沿程能量损失所占比例较大。

3.2洞塞后回流区长度

洞塞后回流区是能量损失的重要源地，回流区长度与水流恢复特性密切相关，也是设计多级洞塞间距要考虑的重要物理量。数值模拟的回流区长度与雷诺数的关系见图6。图6中纵坐标lb=L/D（L为回流区长度，D为洞塞泄洪洞直径）。图6表明，在雷诺数达到105数量级时，回流区长度几乎不随雷诺数变化。

图7是数值模拟得出的回流区长度随孔径比的变化关系。图7表明：回流区长度随孔径比的增大而减小。这也进一步说明：孔板后水流恢复长度并不是固定为3D，而是随孔径比而变化。这一结论与有些文献的结论不同。

图5　能量损失系数与相关因素关系Fig.5　The relationship between energy loss coefficient and relative factors

图6　回流区长度与雷诺数关系Fig.6　The relationship between Reynoldsnumber and backflow length

图7　回流区长度与孔径比之间的关系Fig.7　The relationship between backflow length and contraction ratio

4结论

在充分紊流的情况下，洞塞的效能效果与来流的雷诺数没多大关系，当洞塞的体型确定后，其消能率也大致确定。洞塞的消能效果与孔径比有较大的关系，随着孔径比的增大消能效果逐渐并且变化的幅度较大。洞塞的消能效果与厚径比也有一定的关系，随着洞塞的厚度逐渐增大，消能效果也变大，但变化的幅度不大，主要增加的是沿程能量损失。回流区长度随孔径比的增大而减小，并不是固定不变。

参考文献：

［1］RUSELL S O，BALL J W.Sudden-Enlargement Energy Dissipator For Mica Dam［J］.Journal of the Hydraulics division，ASCE，1967，93（4）:41-56.

［2］张建明，许唯临，刘善均，等.突缩突扩式内流消能工的数值模拟研究［J］.水利学报，2004（12）:29-33.

［3］夏庆福，倪汉根.洞塞消能的数值模拟［J］.水利学报，2003（8）:37-42.

［4］尹则高，拾兵，史宏达，等.洞塞式泄洪的数值模拟［J］.北京工业大学学报，2008，34（8）:857-860.

［5］田忠，许唯临，刘善均，等.组合式洞塞消能工的数值计算［J］.水利水电科技进展，2005，25（3）:8-10.

［6］王福军.计算流体动力学分析:CFD软件的原理与应用［M］.第1版.北京:清华大学出版社，2004.

［7］陶文铨.数值传热学［M］.第2版.西安:西安交通大学出版社，2001.

［8］李家星，赵振兴.水力学［M］.第2版.南京:河海大学出版社，2001.

［9］赵慧琴.多级孔板消能系数问题探讨［J］.水利水电技术，1993（6）:45-50.

［10］王德昌，乐培九.管流中孔板消能的试验研究［J］.水动力学研究与进展，1987，2（3）:41-47.

中图分类号：TV135

文献标识码：A

文章编号:1008-830X（2016）01-0048-04

收稿日期：2015-08-20

作者简介：丁天明（1968-），男，副教授，浙江诸暨人，研究方向：交通工程.力学特性。

Research on Plug Hydraulic Characteristics

DING Tian-ming，ZHANG Min，AI Wan-zheng
（Maritime and Civil Engineering School of Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022，China）

Abstract:In the present paper，the hydraulic characteristics of plug are researched.It could be concluded that the energy loss coefficient is mainly dominated by the contraction ratio of the plug.The less the contraction ratio of the plug is，the larger is the coefficient.The research results demonstrate that the effects of Reynolds number could be neglected when this number is larger than 105；and plug's thickness has hardly impact on its energy loss.

Key words:plug；simulation；energy loss；model；contraction ratio