坎式阶梯溢洪道水力特性研究应用

朱伟国

(江西久源建设工程有限公司,南昌 330038)

0 引 言

溢洪道台阶水平面末端增设尾坎的坎式阶梯溢洪道在水利水电工程中得到广泛应用,但相关研究仍较少,现有的研究主要集中在掺气特性、水气二相流结构、消能效果、摩擦因子等方面。对于这种新兴溢洪道设置后的水流流态、压力分布、三维流场等均未见报道;尾坎的位置也只能局限在台阶水平面中部与末端之间,施工及养护维修均较为不便。文章依托具体工程,应用三维数值模拟技术对水电站溢洪道尾坎位置影响溢洪道内水流流态、压强、流场、紊动能耗散率等的程度展开比较分析,为该水电站溢洪道消能率的提升及阶梯抗空蚀安全性的提高提供借鉴参考。

1 工程概况

某大型水电站溢洪道泄槽宽10.0m,工作水头最大为140m,单宽流量最大达到75m3/(s·m),溢洪道进口处设置WES实用堰。下游河道较为狭窄,且巨大滑坡体存在于溢洪道出口河段左岸,在挑流水舌的影响下稳定性很难保证。在溢洪道出口无法展开大规模调整的情况下,阶梯式溢洪道设置主要面临溢洪道单宽流量大、工作水头高等问题。结合该工程实际情况及类似工程设计经验,在前7级阶梯水深尚未达到均匀流状态,且溢洪道单宽流量超76m2/s时,立面负压取-24.5kPa,再加上前几级阶梯底部存在较低掺气浓度,空蚀破坏十分容易发生。为此,必须在恰当位置增设掺气减蚀装置,以提升消能率及阶梯安全性。

2 研究方法

2.1 三维数值模拟

应用湍流模型中k-ε模型展开坎式阶梯溢洪道复杂水流流态模拟分析效果较好,而建立在欧拉网格下的Volume of Fluid界面追踪方法能较为准确地追踪自由面,为此,文章采用k-ε模型与Volume of Fluid界面追踪方法相结合的三维数值模拟技术,对不同体型阶梯溢洪道水力特性展开模拟分析[1]。

文章采用控制体积法展开三维数值模拟方程求解,水流压力和流速的耦合均采用PIOS算法。为确保来流平稳,在WES实用堰入口1.5m处设置库区入口,并以此为速度进口。上边界采用与大气相通的压力进口;在与最后一级台阶相距1.5m处设置下游出口,以避免水跃的不利扰动;边墙和底板均采用无滑移固壁边界条件。

2.2 几何模型构建

结合该水电站坎式阶梯溢洪道设计思路,拟采取的阶梯溢洪道结构见图1。其阶梯溢洪道主要包括上游库区、WES实用堰、阶梯段、出水渠等部分。其中WES实用堰长Lcrest和宽W分别为1.01m和0.52m;上游进口圆角半径r为0.08m;溢洪道共设置10级台阶,且各级台阶尺寸完全一致,长度l均为0.2m,宽h全部为0.1m;台阶水平面尾坎高w为0.031m,厚度lw为0.015m;尾坎和台阶水平面末端凸角间距用d表示。

为展开尾坎具体设置位置的研究,文章拟定出4种阶梯溢洪道体型,分别表示为体型1～4,其尾坎与台阶水平面末端凸角之间的距离依次为d=3l/20、d=6l/20、d=9l/20、d=12l/20。

图1 坎式阶梯溢洪道结构

3 阶梯溢洪道水力特性分析

3.1 溢洪道内水流流态

坎式阶梯溢洪道中水流流态根据来流条件及台阶几何参数的不同可以划分成跌落水流、过渡水流和滑移水流[2]。文章主要研究最为常见的滑移水流流态,并假定其满布于各级台阶,无空腔。通过对不同体型阶梯溢洪道中轴面水面线分布情况(图2)的分析,溢洪道台阶水流流态稳定,且水面线基本平行于虚拟底部;在尾坎顶托的作用下,体型1水面线比其余体型水面线略高;但整体而言,尾坎移动对水面线的影响并不明显。

通过对不同体型溢洪道台阶上流线分布情况的分析,一定底部上方的流线呈平行态势;而底部以下区域尾坎上下游均存在持续旋转的横轴旋涡,此类旋涡是阶梯溢洪道水流能量削减的主要形式。台阶上方主流和涡流持续发生能量交换,在两种形式的掺杂作用下,水路动能得到有效削减。随着尾坎持续向上游的移动,其上游台阶立面间所预留的空间越来越小,涡流受到持续挤压后尺度减小。尤其在体型4下,所预留的空间最为狭小,涡流只能形成于尾坎上方,底部几乎不存在涡流,整个过程中均难以形成大尺度旋涡。

图2 不同体型阶梯溢洪道中轴面水面线分布

3.2 溢洪道内水流流速

通过对台阶水平面凸角流速分布情况的比较分析看出,对于不同体型的坎式阶梯溢洪道而言,越是临近虚拟底部区域,台阶水平面末端凸角上流速分布差别越大;且随着尾坎向上游的持续移动,流速也随之增大;但自由面周围流速分布较为接近。造成以上流速分布趋势的原因在于,尾坎与台阶凸角距离较近时,尾坎所形成的虚拟底部高出台阶凸角所形成的虚拟底部,故尾坎底部下方流速小;随着尾坎的移动,其所形成的虚拟底部持续下降,滑移主流也逐渐靠近台阶凸角,底部流速持续增大;当尾坎虚拟底部低出台阶凸角底部,滑移主流直接接触凸角,尾坎所在位置对流速的影响已微乎其微。以上情况见图3a。

在体型不变情况下,不同台阶凸角流速分布规律基本一致,见图3b,图中y为从台阶凸角开始起算的与虚拟底部垂直的水深,ymax为相应水深最大值。沿着水深的变化,流速呈先增后减的趋势,且最大和最小流速依次出现在y/ymax=0.78及y/ymax=0处。

(a)不同体型 (b)不同台阶

将三维数值模拟的流速结果和几何模型试验结果展开比较,阶梯溢洪道内水流流速数值模拟结果和试验结果吻合度高,不同体型及不同台阶下平均相对误差最大值仅为12%和8%,说明文章分析结果稳定可靠[3]。

3.3 溢洪道内水流压强

根据分析,可将台阶水平面压强分布划分成尾坎上游和尾坎下游两个区域。①上游区流线分布显示出该区域内横轴旋涡较大,且在旋涡、尾坎、上游台阶立面的综合作用下使区域内凹角压强增大;随着尾坎逐渐向上游的移动,溢洪道体型1～3水流压强持续减小,而体型4的压强呈直线形分布,原因在于该体型下的尾坎和上游台阶立面间空间较小,不存在明显旋涡,水流也几乎呈静止状态。②下游区域台阶水平面受到滑移主流直接冲击的位置处压强最大;体型1和体型2下尾坎形成的虚拟底部比台阶凸角形成的虚拟底部高,故相应体型下滑移主流无法冲击到台阶水平面,临近主流区的水流压强自然较大;而体型3和体型4种尾坎所形成的虚拟底部比台阶凸角虚拟底部低,尾坎移动并不影响主流冲击台阶水平面的位置,故相应体型下压强最值及沿程分布十分接近。综上所述,体型1和体型2的台阶立面压强分布规律相似,即随着水深的增大,压强基本呈降低趋势,负压区基本不存在;体型3和体型4台阶立面压强分布规律也较为相似,即随着水深的增大,压强呈先降后增态势,且在y/h=0.9的区域内达到峰值。

台阶水平面末端尾坎起到一定的凸体作用,此处水流很容易脱离边壁,降低该区域内局部压强,甚至引发空化危险。为此文章以壁面压强较低的下游立面为对象展开其压强分布趋势规律的探析。根据尾坎下游立面压强分布趋势图,体型1和体型2尾坎下游立面压强在凸体范围内变化剧烈,且存在极小值;而体型3和体型4下的压强则随着水深的增大而呈持续减小趋势。造成这种差异的原因在于,体型1和2下尾坎受到滑移主流的直接冲击,故尾坎下游立面周围水流严重脱离边壁,相应范围内的压强骤降,但并未表现出负压;随着尾坎持续向上游滑动,台阶水平面又进而遭到滑移主流的直接冲击,部分水流从下游流走,未流走的水流则回流至尾坎凹角处加入旋涡运动,且水流始终未表现出脱离边壁的情况。由此,溢洪道体型3和体型4下的水流压强明显比体型1和体型2大。

3.4 溢洪道消能效果

文章以紊动能耗散率指标体现并衡量紊动能向分子热运动动能转化的速率。该指标取值越大,意味着消能效果越好[4]。通过对不同体型坎式阶梯溢洪道中轴面紊动能耗散率分布云图的分析看出,对于相同体型而言,上游紊动能耗散率较小,越往下游越大;体型1和体型2中相同台阶最大紊动能耗散率均位于尾坎顶;而体型3和体型4最大紊动能耗散率则出现在台阶凸角上游。造成这种现象的原因在于台阶凸角周围尾坎受到滑移主流的直接冲击,而引起紊动能的较大耗散。

该坎式阶梯溢洪道中轴面不同台阶及尾坎最大紊动能耗散率模拟结果见表1,由表可知,台阶面和尾坎的最大紊动能耗散率均随水流方向呈增大趋势;体型1和体型2因尾坎与台阶凸角距离较近,尾坎紊动能耗散率最大值明显高于台阶面;而对于体型3和体型4尾坎与台阶凸角距离较远的情况,台阶面紊动能耗散率最大值明显较高[5-6]。

表1 最大紊动能耗散率

溢洪道消能效果及水流能量损失程度主要通过消能率指标予以体现,消能率是溢洪道上下游断面水头差和上游断面总水头之比。根据计算,体型1～4阶梯溢洪道消能率依次为48.8%、47.1%、44.0%和44.1%。从结果看出,体型1和体型2溢洪道的消能率较为接近,而体型3和体型4溢洪道的消能率无明显差别。结合以上对最大紊动能耗散率的分析,在尾坎和台阶凸角距离较小时,发挥主要消能作用的结构是尾坎,反之则主要由台阶面发挥消能作用。整体而言,虽然尾坎和台阶凸角距离较小时消能率会增大,但尾坎移动对消能率的作用微乎其微。

4 结 论

文章所得出的坎式溢洪道内水力特性三维数值模拟结果和几何模型试验结果吻合度较高,表明应用湍流模型中的k-ε模型展开坎式阶梯溢洪道复杂水流流态模拟分析效果较好。文章研究还表明,尾坎设置位置对阶梯溢洪道水面线影响较小,且随着尾坎位置的上移,其上游侧旋涡尺度不断减小,旋涡中心也持续移动至上游,但尾坎下游侧旋涡的尺寸所受影响并不大。对于不同体型的阶梯溢洪道结构而言,随着尾坎设置位置向上游的移动,同一台阶凸角流速呈增大趋势;对于同一体型而言,下游台阶凸角流速明显比上游快,但越往底部这种变化趋势越弱化。尾坎设置位置越向上游,台阶水平面最大压强、最大紊动能耗散率等均表现出不同的变化趋势及规律性,均可作为该水电站溢洪道工程尾坎设计与设置的可靠依据。