二相流数值模拟在泄洪闸室水力特性研究中的应用

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

1 概 述

枕头坝一级水电站为枕头坝河段两级堤坝式开发的第一级，其上一级为深溪沟水电站，下一级为枕头坝二级和沙坪水电站。坝址处控制流域面积73057km2，多年平均流量1360m3/s。电站采用堤坝式开发，为河床式厂房，正常蓄水位624.00m，最大坝高86.5m，电站装机容量720MW，多年平均发电量32.90亿kW·h，正常蓄水位以下库容0.44亿m3，水库总库容0.47亿m3，为径流式电站。开发任务为发电，兼顾下游用水。

该水电站在泄洪闸室底板出现冲刷破坏，并在某些工况下出现泄洪闸门异响。本文采用双方程紊流模型，引入水气二相流的VOF模型，运用PISO算法，对从上游库区到下游河道进行了三维非恒定流数值模拟，对泄洪闸室水力特性进行研究。

2 三维数值模拟

2.1 模型建立

按1∶1实际尺寸建立三维模型。坐标系中Z坐标值即为高程值，X轴正方向为水流方向，X轴原点为坝纵0+000.00处。Y轴原点对应坝横0+302.55处。模拟范围上游起始为坝纵0+000.00向上游取45m处，末端为坝纵0+000.00向下游取319m处，并对厂房坝段上下游区域做了适当简化。模型分区域划分网格，全部使用结构化网格，网格扭曲率(skewness)控制在0.45以内。网格尺寸最小为0.8m，最大为2.5m，单元体总数25万个左右。模拟计算用非恒定流算法逼近恒定流稳定解，时间步长取0.004～0.01s。水流入口采用压力进口边界条件，水流出口采用压力出口边界条件，对进口和出口采用明渠流边界限定。所有气体边界都采用压力边界条件，其上的压力为大气压值。图1为模型三维立体图，图2为模型网格剖分图。

图1 模型三维立体图

图2 模型网格剖分图

2.2 体型说明和计算工况

闸室段底板原体型为折线连接(见图3)。在坝纵0+036.154和坝纵0+039.794之间增加半径为15m角度为14°的弧形过渡体型为修改体型(见图4)。

图3 原体型示意图

图4 修改体型示意图

弧形工作闸门宽8m，高16m。只开中间一个闸门，开度8m，根据泄洪闸弧形门运行实测水位，此工况下上游水位622.20m，下游水位593.60m。

2.3 计算结果及分析

图5 原体型闸门中轴面速度矢量图 (单位：m/s)

由原体型闸门中轴面速度矢量图(见图5)与修改体型闸门中轴面速度矢量图(见图6)对比可知，二者速度范围差不多，最大速度约为24m/s。原体型由于没有弧形过渡，水流从跌坎处跃过砸向消力池底板，消能不均匀，局部地区能量过大，容易损坏建筑结构。修改体型加了弧形过渡后，贴边流速更为均匀。从速度矢量图上看，修改体型的能量分布较原体型更为均匀，水跃离闸门距离更远。

图6 修改体型闸门中轴面速度矢量图 (单位：m/s)

由原体型闸门中轴面压强图(见图7)与修改体型闸门中轴面压强图(见图8)对比可知，二者均在跌坎转角处出现负压，局部有出现空蚀破坏可能，有必要在适当位置进行掺气设置。修改体型较原体型的负压极值有所减小，但负压范围略有增大。

图7 原体型闸门中轴面压强 (单位：kPa)

图8 修改体型闸门中轴面压强 (单位：kPa)

由原体型消力池底板速度矢量图(见图9)与图修改体型消力池底板速度矢量(见图10)对比可知，修改体型较原体型有较大范围的较高流速分布于消力池底板，其水流扩散较充分。说明修改体型的水流能量更多地消耗在消力池范围，对闸室段的冲刷较小。

图9 原体型消力池底板速度矢量图 (单位：m/s)

图10 修改体型消力池底板速度矢量图 (单位：m/s)

3 结 语

通过对泄洪闸室底板原体型与修改体型的水力特性进行对比分析可知，增加弧形过渡的修改体型对闸室段底板有更好的保护作用。改用修改体型后闸室段的水力特性明显改善。