小石峽水電站溢洪道消力池結構優化的三維數值模擬

魯克恩,葛旭峰,李 琳

(1.新疆水利水電勘察設計研究院,新疆 烏魯木齊 830000;2.新疆農業大學水利與土木工程學院,新疆 烏魯木齊 830052)

0 引 言

水利水電工程中遇到的問題多是邊界條件復雜、水氣混摻、存在多個自由水面的水流運動,因此對于水流流場的計算不同于單一空氣場的計算,需采用兩相流模型。由于對自由水面的處理比較困難,目前,采用VOF法能有效的追蹤自由水面,滿足工程需要。蘇燕等[1]采用VOF方法對大單寬流量岸邊溢洪道水力特性進行了三維數值模擬,張一等[2]采用VOF法對溢洪道流場的水流特性分別進行了二維和三維數值模擬,李玲等[3]以溢洪道內水流流動為例,得出VOF法能夠精確地跟蹤自由水面。本文以新疆庫馬拉克河小石峽水電站溢洪道為例,采用FLUENT流體計算軟件,利用 RNG k-ε紊流模型及VOF法相結合成功的模擬了溢洪道消力池內水流流場,并與試驗結果對比,結果表明兩者吻合較好,從而為溢洪道泄洪提供參考依據[4]。

1 工程概況

小石峽水電站位于新疆庫阿克蘇地區,是庫馬拉克河中下游規劃開發中的二級水電站。小石峽水電站以發電為主,電站總裝機容量110 MW,最大壩高63.3 m,總庫容0.69×108m3。樞紐工程主要由大壩、表孔溢洪道、導流兼深孔泄洪洞及發電引水洞等建筑物組成。表孔溢洪道原設計消力池為矩形斷面下挖式消力池,消力池長82 m,邊墻高17.8 m,但是原設計方案在設計洪水1856.2 m3/s時消力池內水流脈動劇烈,強烈紊動產生的壓力脈動可能誘發護坦的振動和破壞,并使結構產生隨機振動。因此,通過試驗對消力池體型及尺寸進行優化。小石峽水電站溢洪道優化后體型如圖1所示。

圖1 溢洪道體型圖

2 數學模型

在紊流模型中,本文采用Yakhot和Orszag建立的RNG k～ε紊流數學模型[5],其考慮了平均流動中的旋轉及旋流流動情況,可以更好的處理高應變率及流線彎曲程度較大流動,使得RNG k～ε模型具有更高的可信度和精度。其連續方程、動量方程和k、ε方程分別表示如下:

式中:ρ和μ分別為體積分數平均的密度和分子粘性系數。P為壓力,u為速度。方程中的經驗參數為

對自由液面的處理,采用數值模擬中常用的VOF模型。采用有限體積法對控制方程組進行離散,離散方程組的求解采用欠松弛迭代方法,壓力-速度的耦合求解采用PISO算法。

3 網格劃分及邊界條件

為了準確的模擬溢洪道消力池內的水流特征,選定整個溢洪道為計算區域,從溢洪道進口(樁號0-069 m)到消力池護坦末端(樁號0+458.16 m)。由于模擬區域大,消力池段結構比較復雜,本模型在網格劃分時采用非結構化網格和結構化網格相結合,其中消力墩附近采用非結構網格劃分,其余采用結構化網格,網格單元數61500個。進口采用速度進口,其值通過實測流量換算成進口流速。出口邊界設定為自由出流與壓力出口。進壁區采用標準函數法進行模擬,壁面采用無滑移流速邊界。

計算以進出口流量的的差值作為判斷計算是否完成的依據,當進出口的流量誤差小于5%且殘差滿足精度要求時,則計算完成。

4 結果與分析

根據溢洪道設計消力池的實際運行情況,選擇消力池設計洪水1856.2 m3/s為例對整體溢洪道進行計算,計算分別獲得了溢洪道消力池段水面線分布、壓力分布及斷面流速分布等,并將數值模擬計算結果與實測結果進行了對比。圖 2為設計洪水1856.2m3/s時,數值模擬溢洪道的泄洪流態。圖中明顯的可以看出水氣分界線。

圖2 溢洪道泄洪流態圖

4.1 水面線

水面線作為溢洪道體型設計中的重要參數,通常通過水工模型試驗對其進行量測。圖3為溢洪道陡坡段與消力池段中軸線數學模型計算水面線與物理模型試驗值的比較,計算水面線選取水氣相各占50%的水氣交界面。從圖3可以看出,總體上吻合較好。在消力池的首部,由于水流紊動強烈,區域內水面破碎加劇,摻氣量加大,數值模擬結果與實測值存在一定的誤差。

圖3 溢洪道消力池內水面線計算值與實測值對比

4.2 底板壓強

圖4給出了溢洪道陡坡與消力池底板中軸線位置上的壓強數值模擬結果與物理模型試驗值的比較。結果表明,在消力池的前部壓強稍有偏差外,其他位置兩者吻合均較好,且其誤差小于5%,分析產生誤差的原因在于物理模型中水流進入消力池后,水面波動較大,隨機性很強,進而量測時很難對其進行定位。但是數值模擬采用的時均紊流模型,對于破碎自由水面的撲捉有一定的精度,因此兩者在確定標準方面就存在一定的誤差。

圖4 溢洪道消力池內壓強計算值與實測值對比

4.3 流速分布

圖5為溢洪道消力池5個典型斷面中軸線2/3水深處流速分布。由圖5可以看出,受梳流墩與消力墩的影響,水流入池流速減小,樁號0+332.66 m斷面處的平均流速為10.27 m/s,滿足消力池內設置輔助消能工時消力池允許的入池流速16 m/s[6]。流速大小變化趨勢與實測結果吻合較好。

5 結 語

圖5 溢洪道消力池內典型斷面流速計算值與實測值對比

本文利用RNG k-ε紊流模型和追蹤自由水面VOF法對小石峽水電站溢洪道優化后的結構型式進行了三維數值模擬,獲得了陡坡段與消力池段的自由水面線、底板壓強分布以及典型斷面的流速分布等參數。并將數值模擬結果與模型試驗結果進行了對比,兩者吻合較好,表明優化后的溢洪道消力池結構型式滿足設計泄洪的要求。為實際工程設計優化提供依據。

[1]蘇燕,張 挺,麥棟玲.大單寬流量岸邊溢洪道水力特性三維數值模擬[J].福州大學學報,2008,36(5):758-762.

[2]張一,劉韓生.查汗烏蘇溢洪道流場二維和三維數值模擬對比[J].人民長江,2010,41(8):89-91.

[3]李 玲,陳永燦,李永紅.三維VOF模型及其在溢洪道水流計算中的應用[J].水力發電學報,2007,26(2):83-87.

[4]屈磊飛,王林鎖,陳松山,等.閘站合建樞紐泵站三維水流的數值模擬[J].水利與建筑工程學報,2006,4(1):15-17.

[5]張政,謝灼利.流體-固體兩相流的數值模擬[J].化工學報,2001,52(1):1-12.

[6]花立峰,盧軍,壽韋岡.分流墩-消力墩-消能池在工程中的應用[C]//泄水工程與高速水流論文集,吉林:吉林科學技術出版社,1998:77-83.