泄洪洞腔道渦流特性實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值模擬研究

涂建翔

(江西省余干縣水利局，江西 余干 335100)

本研究重點(diǎn)探究泄洪洞腔道水平渦流段至塞阻均勻段的渦流特性。分別基于側(cè)水位、自由流出和淹沒流出這三種工況下，充分考慮流動(dòng)速率、渦流角等重要水力因素，利用構(gòu)建的水工模型對(duì)泄洪洞腔道渦流特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，旨在通過全過程的腔道渦流特性分析，為渦流洞體優(yōu)化布局設(shè)計(jì)進(jìn)一步提供技術(shù)依據(jù)。

1 計(jì)算域網(wǎng)絡(luò)模型

本模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由8部分構(gòu)成，最主要的包括蓄水池、上游側(cè)水體庫(kù)、回水渠、循環(huán)供水系統(tǒng)等。綜合分析基礎(chǔ)上，本研究決定采用復(fù)合網(wǎng)絡(luò)完成模型劃分工作。

計(jì)算域網(wǎng)絡(luò)劃分如圖1(a)所示，計(jì)算域以起旋器進(jìn)口為起點(diǎn)，以退水洞出口為終點(diǎn)。起旋器非構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)劃分如圖1(b)所示，各計(jì)算域均采用構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)劃分，但起旋器除外，同時(shí)對(duì)水平渦流洞段實(shí)施了網(wǎng)絡(luò)加密(見圖1(c))。

圖1 計(jì)算域網(wǎng)絡(luò)模型

由于起旋器進(jìn)口處流水一直保持穩(wěn)定狀態(tài)，而且水流流動(dòng)也比較均勻，因此將流動(dòng)速率入口定義為進(jìn)口邊界條件；起旋室通氣孔進(jìn)口為典型的空氣大氣壓進(jìn)口；排氣孔出口為大氣壓出口；退水洞出口離水平渦流洞段840 m處流水整體相對(duì)平穩(wěn)，對(duì)研究區(qū)域產(chǎn)生的影響不大，因此將其作為模型的出口邊界，設(shè)置為壓力出口邊界，定義為明渠流動(dòng)狀態(tài)，給出出口水位高度。數(shù)值模擬所設(shè)定的邊界條件見表1具體所示。

表1 數(shù)值模擬所設(shè)定的邊界條件

2 主要參數(shù)和工況

表2 模擬實(shí)驗(yàn)主要物理量比尺一覽

表3 實(shí)驗(yàn)工況及主要參數(shù)

3 泄洪洞腔道渦流特性分析

3.1 關(guān)于腔道直徑的分析

腔道直徑實(shí)際展示效果見圖2所示，空氣在起旋器內(nèi)與流水混合，構(gòu)成腔道旋轉(zhuǎn)流水，之后順著渦流洞呈空氣柱。

圖2 腔道直徑分布狀態(tài)

對(duì)圖3及表4中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面分析后發(fā)現(xiàn)，自由流動(dòng)狀態(tài)下，渦流腔道呈現(xiàn)出明顯先低后大的演變趨勢(shì)，在水平洞段末端附近達(dá)到了最低值，分別為6.32 m、6.5 m、6.54 m。究其原因在于流水由水平洞段流向塞阻段的過程中，截面面積會(huì)慢慢降低，徑向流動(dòng)速率快速増加，切向流動(dòng)速率則驟然降低，由此一來(lái)，不僅引發(fā)流水旋轉(zhuǎn)的離心力也快速降低，也會(huì)造成氣水旋轉(zhuǎn)的互相作用減小，流層厚度明顯增加，進(jìn)而導(dǎo)致腔道直徑縮小。隨著流水在塞阻段的進(jìn)一步流動(dòng)，塞阻截面面積連續(xù)降低，流水流動(dòng)速率加大，由于快速旋轉(zhuǎn)加大了離心力，減小了腔道壓擠力，腔道直徑逐漸加大，直到塞阻均勻段出口。不同上游側(cè)水位下，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值保持高度一致，其最大值均出現(xiàn)在塞阻均勻段出口，分別為8.9 m、8.58 m、8.7 m，誤差僅為0.34 m，可見測(cè)量精度是非常高的。通過表4數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在上游側(cè)水位不斷升高的同時(shí)，截面腔道直徑則隨之降低，表現(xiàn)出相對(duì)平穩(wěn)的波動(dòng)變化，究其原因在于流腔道為周期性螺旋型氣柱，不同水位下，周期不同，測(cè)量同一截面而產(chǎn)生的差異。

圖3 腔道直徑基于自由流出工況的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

對(duì)圖4及表5中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面分析后發(fā)現(xiàn)，在淹沒流出工況下，腔道直徑演變趨勢(shì)與自由流出情況下非常相近，均呈現(xiàn)出明顯先低后大的演變趨勢(shì)，在水平洞段末端附近達(dá)到了最低值，分別為6.08 m、6.5 m、6.15 m，其最大值則出現(xiàn)在塞阻均勻段出口，分別為8.6 m、8.7 m、8.04 m，誤差僅為0.48 m，可見測(cè)量精度是非常高的。通過表5數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在上游側(cè)水位不斷升高的同時(shí)，截面腔道直徑則隨之降低，表現(xiàn)出相對(duì)平穩(wěn)的波動(dòng)變化，究其原因在于流腔道為周期性螺旋型氣柱，不同水位下，周期不同，測(cè)量同一截面而產(chǎn)生的差異。

表4 腔道直徑基于自由流出工況的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值 m

表5 腔道直徑基于淹沒流工況的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值

3.2 關(guān)于渦流角的分析

圖5及圖6直觀反映了在兩種不同流出工況下截面渦流角的整體演變情況。通過圖數(shù)據(jù)分析得知，在不同的水位情況下，渦流角沿程演變趨勢(shì)具有規(guī)律可循。在起旋器內(nèi)(z/D=0～1.1)，達(dá)到了最低值，水平渦流洞段渦流角主要在50°～70°區(qū)間內(nèi)變化。在塞阻段進(jìn)口處(z/D=7.14)，不同上側(cè)水位下，其渦流角分別是58°、59.8°、60°，流入塞阻段后，渦流角急劇縮小，原因是形成了聚縮流水效應(yīng)，不僅流動(dòng)速率加大，流層厚度減小，而且軸向流動(dòng)速率也急劇增大。

圖4 腔道直徑基于淹沒岀流工況的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

圖5 典型截面渦流角自由流出條件的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

圖6 典型截面渦流角淹沒岀流條件的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

圖7 典型面渦流角自由流條件演變狀態(tài) 圖8 典型面渦流角淹沒流條件演變狀態(tài)

圖7及圖8直觀反映了在兩種不同岀流工況下截面渦流角的整體演變情況。在橫截面上，臨近壁面和氣水交界面這兩部位的渦流角分別達(dá)到了最高值和最小值，而且沿著徑向存在逐步增大的趨勢(shì)，由此證實(shí)，水層臨近壁面的流動(dòng)速率快速增大，向下方流動(dòng)的速度就相應(yīng)加快，而且沿圓心表現(xiàn)出明顯的一側(cè)偏大演變趨勢(shì)，在起旋器出口(z/D=1.1)處，渦流角趨近于90°，證明該位置流水仍處于強(qiáng)旋轉(zhuǎn)周期，并未迅速地下向游流動(dòng)，臨近洞頂一側(cè)則達(dá)到了80°，證明此區(qū)域的流水開始向下游流動(dòng)。在不同水位下，塞阻段均勻段(z/D=9)的演變規(guī)率與其他區(qū)域的表現(xiàn)截然相反，同時(shí)呈顯著的非對(duì)稱分布趨勢(shì)，渦流角在臨近洞壁處達(dá)到了最大，基本穩(wěn)定在40°左右， 而在氣水交界面處達(dá)到了最低，還不足10°。究其原因在于均勻段的水層即將進(jìn)入分散擴(kuò)展段，臨近壁面?zhèn)攘魉x心力更高，外側(cè)流水便沿壁面分散擴(kuò)展。通過圖數(shù)據(jù)分析還發(fā)現(xiàn)，z/D=2至z/D=8.1的渦流角沿程演變規(guī)律非常相近，渦流角隨著流程增加而表現(xiàn)出明顯的降低之勢(shì)。

3.3 關(guān)于紊動(dòng)能的分析

圖9及圖10直觀反映了在兩種不同岀流工況下紊動(dòng)能沿程分布的整體變化情況。通過圖數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，水位演變對(duì)腔道渦流沿程紊動(dòng)能造成的影響非常小，甚至可直接忽略不計(jì)，演變規(guī)律也基本一致。均在起旋器出口處紊動(dòng)能急劇增大，然后在水平洞段跟隨沿程變化而發(fā)生相應(yīng)改變。流水達(dá)到塞阻段(x=100m)時(shí)，因?yàn)槎磸剿查g聚縮，致使流水紊動(dòng)強(qiáng)烈，所以紊動(dòng)能就持續(xù)地加大，但到達(dá)塞阻均勻段(x=120m)后，由于洞徑不再發(fā)生變化，因此紊動(dòng)能演變趨向平緩。流水進(jìn)入分散擴(kuò)展段后與氣體混摻，紊動(dòng)能瞬間加大，在淹沒流出工況下，洞頂?shù)奈蓜?dòng)能明顯增大，而洞底紊動(dòng)能卻急劇減小，其原因在于洞底存在水層，而洞頂只是輕微的氣水兩相流，所以兩者存在明顯的紊動(dòng)能差異。

圖9 紊動(dòng)能自由流條件沿程分布狀態(tài)

圖10 紊動(dòng)能淹沒流條件沿程分布狀態(tài)

通過圖11數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，沿流水方向，起旋器端頭周圍紊動(dòng)能相對(duì)較大，之后隨著沿程變化而不斷走低，直至達(dá)到塞阻段后，紊動(dòng)急劇升高，并達(dá)到了56 m2/s2最高值。通過圖演變趨勢(shì)還發(fā)現(xiàn)，高紊動(dòng)區(qū)及腔道直徑的演變規(guī)律完全吻合，而且氣體的紊動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于流水的紊動(dòng)。由于氣體具有密度小、黏性差等特點(diǎn)，無(wú)法把控自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此在氣水混摻的區(qū)域發(fā)生強(qiáng)紊動(dòng)現(xiàn)象。

圖11 紊動(dòng)能自由流條件193.9m上游側(cè)分布變化云狀態(tài)圖

3.4 關(guān)于耗能率的分析

通過表6數(shù)據(jù)分析可進(jìn)一步了解到，水平渦流洞段耗能率基本穩(wěn)定在25%上下，塞阻-漸擴(kuò)式水平渦流泄洪洞耗能率則超過了40%以上，并且相較于自由岀流工況，淹沒岀流工況的耗能率更大一些。根據(jù)文獻(xiàn)得知，氣水兩相流耗能率為40%，水平渦流泄洪洞總耗能率達(dá)到80%以上，很明顯，這與水電站泄洪耗能要求相符。

表6 耗能率工況差異條件下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本研究基于側(cè)水位、自由流出和淹沒流出三種工況，對(duì)泄洪洞腔道渦流特性實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬計(jì)算成果進(jìn)行專題比對(duì)分析，通過水力特性分析得出以下幾個(gè)重要結(jié)論：

(1)不同工況下，腔道直徑呈現(xiàn)出先降低后加大的演變趨勢(shì)，而且在塞阻均勻段出口達(dá)到了最大。當(dāng)上游側(cè)水位不斷升高時(shí)，截面腔道直徑卻隨之大幅降低。

(2)渦流角在水平洞段表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)特性，但抵達(dá)塞阻段后就陸續(xù)降低。渦流角在臨近洞壁處達(dá)到了最大，基本穩(wěn)定在40°左右， 而在氣水交界面處達(dá)到了最低，還不足10°。

(3)沿流水方向，起旋器端頭周圍紊動(dòng)能相對(duì)較大，之后隨著沿程變化而不斷走低，直至達(dá)到塞阻段后，紊動(dòng)急劇升高，并達(dá)到了56 m2/s2最高值。