通气孔型式对超宽泄槽的掺气影响研究

李浩田，别玉静，顾太欧

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550081）

0 引言

泄水建筑物垂直水流方向宽度大于35 m 的泄槽，可以定义为超宽泄槽。超宽泄槽在大流量的溢洪道工程中较为常见，常规的泄槽掺气结构主要依靠边墙两侧开孔的方式向水流掺气，这种掺气方式只能对靠近边墙两侧10～15 m 范围内的水流掺气，且掺气能力由两侧向中间减弱，在宽槽的中部，存在较大范围的掺气盲区。对于宽度越大的泄槽，掺气盲区的范围越大，掺气盲区的结构在高速水流作用下，极易发生空化空蚀破坏，影响泄洪系统的运行安全[1]。鉴于此，本文主要致力于研究掺气均匀性差的难题。

本文应用数值模拟，计算原理采用两方程模型RNGk-ε[2]进行迭代计算。对泄槽的不同通气孔面积在不同高程下，水流流态、水力特性进行详细分析研究，总结出掺气面积对泄流掺气的影响，可以用于其他工程参考和应用。

1 工程概况及模型简介

某水电站由钢筋混凝土面板堆石坝、左岸开敞式溢洪道、右岸泄洪洞、右岸地面厂房及引水系统组成，工程规模为Ⅱ等大（2）型工程。溢洪道总体长约1.26 km，泄槽段共布置三级掺气坎如图1所示。此次数值模拟采用局部计算溢洪道的一级掺气坎，针对溢洪道掺气坎建立三维数学模型，泄槽底坡i=7.5%，挑坎高△=3.5 m，挑坎坡度1∶16。计算区域包括挑坎上游117.5 m，挑坎段21.5 m，掺气坎下游171.0 m，总长310.0 m，宽度为50.0 m。

图1 溢洪道整体平面图

2 计算原理

2.1 计算方法

采用有限体积法，对数学方程式进行迭代计算，水面波动形态采用水汽两相流方式进行捕捉，压力速度耦合方程采用对瞬态收敛较好的PISO算法[3]，其中体积分数采用二阶格式计算，其余采用一阶格式。

2.2 计算区域与网格划分

计算模型有5 种掺气方案，区别在于跌坎内侧的掺气圆管数量不同。不同的计算模型，计算区域的选取和划分网格的方法基本相同，以6 个掺气圆管方案为例，简要说明计算区域与网格划分原则。模型中间部位设有掺气坎，掺气坎边墙两侧设有矩形掺气槽，跌坎内侧设有圆形掺气管。模型的网格数量为340 万。

2.3 边界条件

边界条件设置：速度进口，取断面平均速度；压力出口，设置为当地大气压，保证出口水流为均匀流；无滑移壁面，混凝土衬砌渠道粗糙高度取0.8 mm。

进出口边界条件中的参数均采用湍动能k和湍动能耗散率ε，由明渠流经验公式确定：

其中：vm为进口速度，m/s；H0为进口水深，m。迭代计算过程中，可适当调节松弛因子，加快收敛。

3 方案对比

由于掺气空腔与掺气管面积有关，为探求二者之间的关系，逐步增加跌坎内侧的掺气管数量，计算溢洪道泄量为6 000 m3/s 下的不同掺气管面积对应的结果。

在掺气坎内侧对称设置2，4，6，8 个圆孔掺气管，计算后提取泄槽2 个纵剖面：泄槽中间对称面x=0+0.00 m，泄槽1/4 位置处的纵剖面x=0+12.50 m。对纵断面的流态、速度以及掺气形态进行分析。纵断面的流态如图2 所示。

根据上述4 种掺气体型方案的计算结果可以得出，增加中部掺气圆管会使泄槽中部的掺气效果得到改善，但并非呈现中部掺气圆管数量越多掺气效果越好的规律。6 孔掺气方案与8 孔掺气方案的掺气效果不相上下，均优于4 孔掺气方案和2 孔掺气方案。

由于掺气设置的掺气效果与掺气孔的面积有关，因此，取0/2/4/6/8 掺气圆管方案的数据，分析这5 种掺气体型下，掺气浓度与掺气孔面积之间的关系。由于泄槽宽度较大，部分工况掺气空腔不稳定，无法量化水流的掺气效果，因此，采用掺气浓度来反应各工况运行情况下泄槽水流掺气情况[4]。掺气浓度取中间纵断面，泄槽1/4 纵断面和靠近边墙的泄槽纵断面的掺气浓度平均值，通气孔面积为单侧向矩形通气孔面积与单侧泄槽中部圆形掺气孔的面积之和。先做出散点图，然后根据散点图拟合出散点的幂函数关系曲线。

由上述分析可以得出：在跌坎内侧加入掺气圆管后，掺气效果明显增强。掺气浓度与掺气面积成递增关系，当掺气面积小于3.5 m2时，掺气浓度受掺气面积影响很大；当掺气面积大于3.5 m2时，掺气面积增加，掺气浓度小幅度增加，并且逐渐趋于平稳。所以，当泄槽中部的掺气圆管达到一定数量和面积值时，泄槽的掺气效果趋于稳定。拟合出公式：

图2 4 种方案水面线图

式中：c为水流平均掺气浓度值；A为单侧掺气孔面积，m2。

由上述分析可以得出，在一定范围内，泄槽的掺气效果受到掺气孔面积的制约，超出该范围后，掺气孔面积对掺气效果的影响微弱。

4 结论

本文对超宽泄槽的掺气影响因素进行研究，得出以下结论。

1）采用数值模拟方法对溢洪道泄槽局部掺气设施进行模拟研究，可以较为客观地反应出泄槽内水面流态以及掺气坎附近的三维水力特性。

2）通过恒定流量下的4 种掺气方案对比，可以得出：随着掺气孔数的增加，掺气面积随之增加，掺气效果逐渐增强。

3）通过对超宽泄槽的不同掺气结构进行研究，超宽泄槽的中部位置掺气效果不佳，在泄槽中部设置通气管可以改善掺气效果，通气孔面积存在最优值，通气孔面积超过此最优值时，水流的掺气浓度区域稳定，掺气浓度值不会继续增加。