二相流数值模拟在泄洪水流形态研究中的应用

向贤镜 袁 强

(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

泄洪水流的数值模拟涉及到水气二相流问题。由于水气两相流问题本身就很复杂，同时水舌的边界事先都是未知的，边界确定比较困难，所以它一直是计算流体力学的难点[1-6]。本文在前人研究的基础上，采用双方程紊流模型，引入水气二相流的VOF模型，运用PISO[7]算法，对泄洪水流进行了三维非恒定流数值模拟。

2 工程概况

立洲水电站系木里河干流(上通坝—阿布地河段)水电规划“一库六级”的第六个梯级，上游接固增水电站，下游为锦屏一级水电站库区，坝址区位于四川省凉山彝族自治州木里藏族自治县境内博科乡下游立洲岩子至八科索桥2.4km的河段。枢纽工程由碾压混凝土双曲拱坝、坝身泄洪系统、右岸地下长引水隧洞及右岸地面发电厂房组成。水库正常蓄水位2088.00m，正常蓄水位以下库容1.787亿m3，最大坝高132m，电站装机容量355MW，多年平均发电量为15.46亿kW·h。电站是一座以发电为主的Ⅱ等大(2)型水电工程。

该水电站的弧形门启闭梁的最低高程为2038.72m，离泄洪中孔较近。为确定泄洪时水流是否会冲击到启闭梁，本文运用三维数值模拟，对泄洪水流形态进行研究。

3 三维数值模拟

3.1 模型建立

按1∶1实际尺寸建立三维模型。坐标系中Y方向为铅直方向，Y坐标值即为高程值，X轴正方向为水流方向，Z轴方向为垂直水流方向。YOZ平面对应泄洪洞起始面。模拟范围为一整个泄洪洞区域，并从泄洪洞起始面向上游延伸5m。

采用VOF方法追踪自由水流表面，紊流模型选择RNGk-ε模型，速度压力耦合采用PISO算法。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0.2m，最大为0.4m，单元体总数12万个左右。模拟计算用非恒定流算法逼近恒定流稳定解，时间步长取0.001。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。壁面边界设为无滑移边界条件，黏性底层采用标准壁函数法处理。

本数值模拟采用Gambit软件建立模型，Fluent软件进行流体水力学计算，Tecplot软件进行后处理(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2 模型网格剖分

3.2 计算工况

本次数值模拟计算共分3个工况。

工况1：上游水位为校核洪水位2090.38m，闸门全开。

工况2：上游水位为正常蓄水位2088.00m，闸门开度4m。

工况3：上游水位为正常蓄水位2088.00m，闸门开度2m。

各工况未考虑设通气孔。

3.3 计算结果及分析

图3～图5为各工况下泄洪的水气分布图。红色为水，蓝色为空气，红蓝色交界处的彩色为水气混合体。坐标单位为m。

图3 闸门全开工况稳定后水气分布

图4 开度4m工况时水气分布

图5 开度2m工况时水气分布

由图可知，闸门全开工况下水面线最高。梁的最低高程为2038.72m。闸门全开时，若以水占20%空气占80%作为水气分界线，则在梁的最低高程处正下方水的最大高程约为2035.4～2035.7m，离梁的最低高程处均尚有约3m的距离。故泄洪水流不会冲击到弧形门的启闭梁。

4 结 语

采用二相流数值模拟对泄洪水流形态进行分析表明，泄洪水流不会冲击到弧形门的启闭梁，启闭梁在泄洪时是安全的。根据工程现场反馈的消息，证明了模拟结果的准确性。