导流泄洪洞射流-旋流梯级内消能工设计与数值模拟

刘德华

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳110000）

1 概述

梨树园子水电站是一座以发电为主，兼具其他功能的小型径流式水电站[1]。该电站为爱河梯级开发最末一级工程。梨树园子电站的设计库容为1 800 万m3，装机总容量为22 400 kW。水电站主要由混凝土重力坝、溢流坝、导流泄洪洞、引水系统和电站厂房构成[2]。其中，导流泄洪洞主要承担工程建设期间的导流任务和电站运行期间的泄洪与放空任务。按照工程设计，施工建设期间的导流流量为183.00 m3/s，电站运行期间的设计泄洪流量为360.13 m3/s，校核洪水流量为1 167.78 m3/s。

导流洞改建为泄洪洞可以充分发挥导流洞的作用和价值，有效节省施工投资，改建过程中必须要考虑泄洪流量增大带来的消能问题，消能主要有洞内消能和洞外消能[3]。其中，洞内消能主要通过导流泄洪洞洞内体型的优化设计，实现水流的旋转和突变，达到消能目标，这种消能方式具有布置灵活、经济性好和消能率高的特点，是导流泄洪洞消能设计未来发展方向[4]。但是，梨树园子水电站水头高，仅采用单一的消能方式并不能有效解决导流泄洪洞的消能问题。基于此，此次研究采用分级消能的思路，提出射流-旋流梯级内消能工，并通过数值模拟的方式对合理性与可行性进行验证。

图1 射流-旋流梯级内消能工体型设计示意图

2 射流-旋流梯级内消能工

结合梨树园子水电站导流泄洪洞的实际情况，充分借鉴西安理工大学邓流宸等人的研究成果[5]，提出导流泄洪洞射流-旋流梯级内消能工。该消能工主要由射流段、竖井段以及旋流洞段组成，其具体的工程设计如图1 所示。

射流段主要包括进水口、收缩段以及消能段。在具体设计中，按照导流泄洪洞的校核流量进行洞径的计算，并设置一定的计算冗余量，以保证导流泄洪洞的整体安全，最终确定该段洞径为9.60 m；结合引水隧洞进口段设计经验，该段采用长轴和短轴分别为9.60 m和3.20 m的椭圆曲线进行截面设计。收缩段的水流流速快，流态复杂，是整个射流段的设计核心，其体型的设计质量和水平对整体消能效果存在显著影响，通过各种设计体型的反复对比，最终确定为收缩阻塞体型，长度为7.80 m，孔口直径为6.30 m，收缩比按0.435；据相关设计经验，按洞径的5倍设计消能段的长度，最终确定为60.00 m。

竖井段是消能结构的连接段，同时也是设计优化的关键部位，按照校核洪水条件下的流量，该段长度设计为108.00 m，直径为14.00 m；下游收缩段的长度设计为4.20 m，收缩后的洞径为9.60 m。

旋流洞段是消能工3 个主要组成部分的最后一段，该段主要由旋流段、阻塞段、扩散及退水洞段组成。其中，旋流段主要通过起旋器使下泻水流旋转消能，该段的设计洞径为10.80 m，起旋器的进口直径设计为5.70 m；阻塞段的主要功能是通过增加水流压力，实现水流减速消能，同时防止起旋器部位出现负压，该段的设计直径为3.75 m，长度为10.20 m。旋流扩散段以及退水洞段均按照无压隧洞设计，其中退水洞段即为原来的导流洞改造而成。此外，在旋流段上方设置有5 个直径为3.20 m 的通气孔，可以实现对高速水流的掺气，尽量避免水流造成的空化和空蚀破坏。在孔距的设置方面，前4 个排气孔间距为12.00 m，后一个为15.00 m，总长度为51.00 m。

3 数值模拟分析

3.1 数值模拟模型

为了分析和验证提出的射流-旋流梯级内消能工的消能效果，利用fluent 软件进行数值模拟研究[6]。该模型具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及十分强大的前处理和后处理功能，可以引导用户从头至尾完成模拟过程，使模拟计算过程变得十分容易。

由于消能工的尺寸比较大，整体建模不仅会显著增加计算量，同时也不利于计算精度的提升。因此，研究中基于两级消能的实际特点，对射流消能段和旋流消能段进行分段模拟。其中，射流消能段的长度为136.40 m，旋流洞消能段的长度为265.85 m，整合模型的模拟长度为402.25 m。模型的网格划分为结构和非结构网格两种主要形式，结合实际，对起旋器采用非结构网格，其余部分采用结构网格进行划分[7]。第一段模型的进口为压力进口，按照上游水位条件计算，旋流段进口条件为流速条件，设定流速为5.94 m/s。射流、竖井和旋流洞出口均为压力出口条件。模型的网格划分和边界条件如图2 所示。

图2 模型网格划分与边界条件

流场计算中常用的方法主要有SIMPLE 算法、改进SIMPLE 算法及PISO 算法。本文主要是处理旋转水流问题，PISO 算法具有较好的计算效果，所以此次模拟的计算方法的算法选择PISO 算法。由于研究中的孔口射流以及旋转流均为自由表面的气水两相流，因此选取VOF 法进行自由表面处理。

3.2 计算结果与分析

3.2.1 流速

利用已构建的模型对各段的流速进行模拟计算，获得如图3所示的流速矢量分布图。由图3可以看出，水流的流速和流态在射流消能段进口部位呈现出比较明显的规律性，在前洞壁的两侧存在漩涡与回流现象，但是尺度相对较小，不会产生比较明显的影响。受到消能段的影响，水流速度明显降低，并按照射流的方向进入竖井段。从流速的计算结果来看，该段流速的最大值为24.00 m/s，一般在20.00～21.00 m/s之间，在扩散段，水流形成了数量较多的漩涡，并随着水流的扩散而逐渐消散。

3.2.2 紊动能

利用已构建的模型对各段的紊动能进行模拟计算，获得如图4 所示的紊动能云图。从计算结果来看，各段的紊动能存在比较明显的差异，其中射流进口段水流的紊动能强度较小，而扩散段水流的紊动能最大，最大值为12.1 m2/s2。由此可见，射流扩散段存在十分强烈的水流紊动作用，可以产生十分明显的消能效果。随着水流进一步向下游流动，紊动能也呈现出逐渐减小的趋势，并在尾水段逐渐趋于稳定。此外，旋流消能段的水流紊动虽然不及射流消能段，但是其水流紊动能也达到了1.3～9.2 m2/s2，且空腔与水流交界部位最大，说明该部位具有较为强烈的水流紊动作用。

图3 流速矢量图

图4 紊动能云图

3.2.3 消能率

利用数值模拟计算的部分结果，计算获取如表1 所示的消能工总消能率。由表1 可知，设计的消能工消能率介于72.4%～83.4%之间。同时，电站上游的水位高度越高，其消能率越大，消能效果也更为显著。由此可见，设计的射流-旋流梯级内消能工消能效果良好。

表1 消能率计算结果

4 结语

综上所述，针对辽宁丹东梨树园子水电站导流洞改建泄洪洞消能问题而提出的射流-旋流梯级内消能工，其射流扩散段和旋流扩散段具有较大的水流紊动能，流速和流态变化比较剧烈，其余部位的流速和液态相对比较稳定，紊动能变化较小，总消能率在72.4%～83.4%之间，具有良好的消能效果，可以在工程设计中应用。