爆破膜高速射流消能數(shù)值模擬研究

高永輝，孫寧

(商丘師范學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，河南 商丘 476000)

0 引言

在自然界物質(zhì)循環(huán)過程中，水能是既可利用又可再生的重要能源.我國幅員遼闊，江河縱橫，是世界上水能資源最豐富的國家.本文源自我國西北及西南地區(qū)水電開發(fā)過程中由于地形地貌等原因不利于建造調(diào)壓井，使用爆破膜裝置替代調(diào)壓井的工程，而該類工程中的一項技術(shù)難關(guān)為爆破膜爆破后高速射流的消能問題.本文的研究對于該類項目具有較好的實用價值.

爆破膜裝置是在壓力引水管道上或在水輪機蝸殼進口處引出一條岔管，裝設(shè)一組用法蘭夾持的金屬薄膜片，當壓力達到一定數(shù)值該金屬薄膜片爆破，從而保證水利設(shè)施安全.

這一裝置是在壓力引水系統(tǒng)中人為設(shè)定一薄弱環(huán)節(jié)［1－3］，當發(fā)生事故，導(dǎo)葉關(guān)閉，過水系統(tǒng)中壓力上升至爆破膜的工作壓力，部分膜片爆破，泄放一定流量，限制了水擊壓力上升，隨著導(dǎo)葉的繼續(xù)關(guān)閉，系統(tǒng)壓力再次上升，其它膜片繼續(xù)爆破，增加泄流量，直到導(dǎo)葉完全關(guān)閉，系統(tǒng)壓力不再上升，從而保證電站機組的安全運行，達到調(diào)節(jié)保證安全的目的.

關(guān)于水平淹沒射流流場的求解［4］，本文將采用紊流模型對單層多股和多層多股水平淹沒射流進行了數(shù)值模擬，對淹沒射流流速場和壓力場的分布做出系統(tǒng)分析，并對消能池內(nèi)流速場及壓力場進行計算.

1 基本控制方程

描述紊流運動的精確微分方程是納維埃—斯托克斯(Navier－Stokds)方程［5］:

Navier－Stokds 方程加上連續(xù)方程:

就構(gòu)成了求解壓力場、速度場的封閉的方程組.由于紊流運動所包含的單元比流區(qū)域的尺度要小得多，其典型的數(shù)量級是流動區(qū)域尺度的10－3倍，而且紊流的瞬時運動具有極強的脈動，為了用數(shù)值計算方法求解紊動單元的運動要素及紊流的瞬時運動，計算網(wǎng)格必須比紊動單元的尺度更小，目前計算機水平難以達到.在實際工程中，人們最關(guān)心的不是其運動要素的瞬時值，而是紊流的時均特性，這些量可以通過求解時均值的Navier－Stokds 方程得到.雷諾(Reynolds)建議采用統(tǒng)計方法，將速度ui、壓力pi分為時均量和脈動量兩部分，即:

式中，時均量定義為:

經(jīng)時間平均后的紊流運動的納維埃—斯托克斯方程為:

根據(jù)在模化中是否采用渦粘性概念可將紊流數(shù)學(xué)模型分為兩大類，即渦粘性模型和非渦粘性模型.根據(jù)微分模型方程的個數(shù)又可將之分為零方程模型(其代表為Prandtl 混合長模型)，單方程模型(其代表為k 方程模型)，雙方程模型(其代表為k～ε 模型)和多方程模型(其代表為Reynolds 應(yīng)力模型).

本文采用標準模k ～ε 型來計算沖擊射流形成的速度場、壓力場(本文所研究的射流為紊流)，標準k ～ε 模型的封閉方程組如下:

連續(xù)方程:

動量方程:

紊動能方程:

紊動耗散率方程:

式(6)～(9)即構(gòu)成此模型的基本方程.

2 計算模型建立

當爆破膜爆破后，高速水流對尾水渠產(chǎn)生巨大的沖刷.本文依據(jù)底流消能的基本消能方式，在壓力管道末端設(shè)置消能池，采用水平淹沒沖撞消能的方式，達到安全泄流消能的目的.采用FLUENT 數(shù)值模擬的方法對消能池內(nèi)的流速場及壓力場進行模擬分析，求得消能池各個壁面流速分布及壓力分布情況，從而驗證該方法的有效性.

消能池的內(nèi)部空間為梯形，如圖1所示，外部尺寸入長、寬、高分別為5700 mm、2900 mm、2600 mm，射水流與消能池壁面夾角為45 度，入口流速為15 m/s，水力直徑為0.5 m.

圖1 消能池三維實體圖

3 模擬結(jié)果分析

消能效果取決于消能池的破壞程度，消能池的破壞程度主要由池內(nèi)各壁面上流速分布大小及壓力分布大小所決定，因此流速及壓力分布分析主要從消能池射流軸線、兩邊壁、底面、前后面以及斜面的分布情況著手，等值線中的數(shù)值或顏色代表所在點的大小.如圖2、圖3 示:

圖2 消能池內(nèi)部流線

圖3 射流中心軸線及各壁畫流速分布

3.1 流速場分析

由圖2 消能池內(nèi)部流線圖可以看出，整個流場的流態(tài)較為復(fù)雜.兩股水流在消能池的前段發(fā)生碰撞，射流擴散非常明顯，此時主軸線流速在前段碰撞后迅速降低，消能效果較好.圖3 射流中心軸線及各壁面流速分布圖反映了高速射流在碰撞前出口流速較大，射流段擴散不夠充分，流速難以降低.碰撞后的射流擴散較為明顯，且在碰撞區(qū)發(fā)生漩渦、回流現(xiàn)象，且沿碰撞后主流軸線流速沿軸線方向流速呈線性降低.各壁面流速分布較為均勻，基本不存在射流沖擊區(qū)，使射流的橫向突擴比都大大增加，而且射流之間的擴散、混摻成三維擴散，加強了射流間的相互混摻和碰撞，從而加速了射流擴散和主流流速衰減，提高了消能率.

由各壁面流速分布圖所示:最大流速值分別為:兩側(cè)面1.48 m/s，前面0.75 m/s，斜面1.48 m/s，底面1.12 m/s，后面1.12 m/s.流速衰減原因主要是射流段的紊動混摻與射流邊界層的剪切作用所致.初始流速水頭在射流過程中經(jīng)過剪切擴散作用，不斷耗散，剩余的能量轉(zhuǎn)化為整個水體的動能.

3.2 壓力場分析

消能池各壁面壓力場分布由圖4所示.由于高速射流碰撞后消去大部分動能，且擴散非常充分，最大壓強1.03×105Pa，最小壓強0.99×105Pa.

圖4 消能池各壁畫壓力分布

由消能池各壁面壓力分布可以看出:高速射流在淹沒沖撞效能后，各壁面上壓力分布較為均勻，沒有明顯高壓區(qū)域存在.軸線最大流速均近似按直線規(guī)律衰減，但衰減程度幾乎一致，流速大小的差異對擋板無量綱化后的最大沖擊壓強的影響不顯著;壓強分布圖表明，在擋板附近，流速逐漸減小的同時，壓強逐漸增大，動能逐漸轉(zhuǎn)化為壓能，從而形成沖擊壓強.無論是在高流速還是在低流速下，紊動能主要集中在射流軸線附近和沖擊區(qū)，射流段內(nèi)部的紊動能最大;射流主體段與外界水體存在明顯的分界面，形成射流邊界層.而計算出的流場顯示，能量耗散作用主要集中在射流主體段以及射流邊界層，在高雷諾數(shù)下，與慣性力相比，流場中的粘滯力的影響已十分微弱，因此高、低流速下形成的沖擊壓強的變化規(guī)律差異不顯著，即不存在明顯的縮尺效應(yīng).

淹沒射流消能的消能效果與射流裂散程度有關(guān)，通過對消能池各壁面上流速、壓力場的分析研究發(fā)現(xiàn)，碰撞后水流裂散程度充分，各壁面流速及消能池整體所受壓力較小，且分布較為均勻，能量耗散比較理想，消能效果突出.

4 結(jié) 論

根據(jù)本文研究成果，可得出以下結(jié)論:

(1)數(shù)模計算結(jié)果詳盡地描述了消力池內(nèi)的主流衰減過程、壁面壓力分布、水流紊動強度及其分布，全面反映了消力池的水力特性和消能過程.

(2)多股淹沒沖撞的消能方法具有霧化低對環(huán)境影響小，消能效率高，流態(tài)穩(wěn)定等特點，對于爆破膜爆破后高速射流的消能問題有顯著的效果.

(3)多股淹沒沖撞的消能方法將高流速水流沿橫向分成多股，且淹沒沖撞后進入消力池水體的中部.使高流速帶與底板和水面均保持一定的距離，利用在射流軸線周圍所形成的強剪切、三維立體漩滾的劇烈混摻來達到消能的目的，是一種新消能型式.

由于淹沒射流在消能池內(nèi)的碰撞機理十分復(fù)雜，消水體紊動劇烈，流速最大值的出現(xiàn)位置和大小并不固定，且較難確定其準確位置和方向，且目前缺少充足的理論依據(jù)，尚需加強其理論研究.

［1］徐立群.爆破膜代替調(diào)壓井在若干水電站的應(yīng)用［J］.中國農(nóng)村水利水電，2010(2):114－115.

［2］張建春，李一紅.水工建筑物消能防沖原理及分析［M］.北京:中國水利水電出版社，2011.93－105.

［3］切爾托烏索夫著.水力學(xué)專門教程(上下冊)［M］.沈清廉，譯.北京:高等教育出版社，2008.55－80.

［4］李艷玲，楊永全，等.多股多層水平淹沒射流的試驗研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版)，2009(6):32236.

［5］中國人民解放軍總裝備部軍事訓(xùn)練教材編輯工作委員會.計算流體力學(xué)及應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.