導(dǎo)流泄洪洞射流-旋流梯級(jí)內(nèi)消能工設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

劉德華

（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)110000）

1 概述

梨樹園子水電站是一座以發(fā)電為主，兼具其他功能的小型徑流式水電站[1]。該電站為愛河梯級(jí)開發(fā)最末一級(jí)工程。梨樹園子電站的設(shè)計(jì)庫(kù)容為1 800 萬(wàn)m3，裝機(jī)總?cè)萘繛?2 400 kW。水電站主要由混凝土重力壩、溢流壩、導(dǎo)流泄洪洞、引水系統(tǒng)和電站廠房構(gòu)成[2]。其中，導(dǎo)流泄洪洞主要承擔(dān)工程建設(shè)期間的導(dǎo)流任務(wù)和電站運(yùn)行期間的泄洪與放空任務(wù)。按照工程設(shè)計(jì)，施工建設(shè)期間的導(dǎo)流流量為183.00 m3/s，電站運(yùn)行期間的設(shè)計(jì)泄洪流量為360.13 m3/s，校核洪水流量為1 167.78 m3/s。

導(dǎo)流洞改建為泄洪洞可以充分發(fā)揮導(dǎo)流洞的作用和價(jià)值，有效節(jié)省施工投資，改建過程中必須要考慮泄洪流量增大帶來(lái)的消能問題，消能主要有洞內(nèi)消能和洞外消能[3]。其中，洞內(nèi)消能主要通過導(dǎo)流泄洪洞洞內(nèi)體型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水流的旋轉(zhuǎn)和突變，達(dá)到消能目標(biāo)，這種消能方式具有布置靈活、經(jīng)濟(jì)性好和消能率高的特點(diǎn)，是導(dǎo)流泄洪洞消能設(shè)計(jì)未來(lái)發(fā)展方向[4]。但是，梨樹園子水電站水頭高，僅采用單一的消能方式并不能有效解決導(dǎo)流泄洪洞的消能問題。基于此，此次研究采用分級(jí)消能的思路，提出射流-旋流梯級(jí)內(nèi)消能工，并通過數(shù)值模擬的方式對(duì)合理性與可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 射流-旋流梯級(jí)內(nèi)消能工體型設(shè)計(jì)示意圖

2 射流-旋流梯級(jí)內(nèi)消能工

結(jié)合梨樹園子水電站導(dǎo)流泄洪洞的實(shí)際情況，充分借鑒西安理工大學(xué)鄧流宸等人的研究成果[5]，提出導(dǎo)流泄洪洞射流-旋流梯級(jí)內(nèi)消能工。該消能工主要由射流段、豎井段以及旋流洞段組成，其具體的工程設(shè)計(jì)如圖1 所示。

射流段主要包括進(jìn)水口、收縮段以及消能段。在具體設(shè)計(jì)中，按照導(dǎo)流泄洪洞的校核流量進(jìn)行洞徑的計(jì)算，并設(shè)置一定的計(jì)算冗余量，以保證導(dǎo)流泄洪洞的整體安全，最終確定該段洞徑為9.60 m；結(jié)合引水隧洞進(jìn)口段設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該段采用長(zhǎng)軸和短軸分別為9.60 m和3.20 m的橢圓曲線進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。收縮段的水流流速快，流態(tài)復(fù)雜，是整個(gè)射流段的設(shè)計(jì)核心，其體型的設(shè)計(jì)質(zhì)量和水平對(duì)整體消能效果存在顯著影響，通過各種設(shè)計(jì)體型的反復(fù)對(duì)比，最終確定為收縮阻塞體型，長(zhǎng)度為7.80 m，孔口直徑為6.30 m，收縮比按0.435；據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，按洞徑的5倍設(shè)計(jì)消能段的長(zhǎng)度，最終確定為60.00 m。

豎井段是消能結(jié)構(gòu)的連接段，同時(shí)也是設(shè)計(jì)優(yōu)化的關(guān)鍵部位，按照校核洪水條件下的流量，該段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為108.00 m，直徑為14.00 m；下游收縮段的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為4.20 m，收縮后的洞徑為9.60 m。

旋流洞段是消能工3 個(gè)主要組成部分的最后一段，該段主要由旋流段、阻塞段、擴(kuò)散及退水洞段組成。其中，旋流段主要通過起旋器使下瀉水流旋轉(zhuǎn)消能，該段的設(shè)計(jì)洞徑為10.80 m，起旋器的進(jìn)口直徑設(shè)計(jì)為5.70 m；阻塞段的主要功能是通過增加水流壓力，實(shí)現(xiàn)水流減速消能，同時(shí)防止起旋器部位出現(xiàn)負(fù)壓，該段的設(shè)計(jì)直徑為3.75 m，長(zhǎng)度為10.20 m。旋流擴(kuò)散段以及退水洞段均按照無(wú)壓隧洞設(shè)計(jì)，其中退水洞段即為原來(lái)的導(dǎo)流洞改造而成。此外，在旋流段上方設(shè)置有5 個(gè)直徑為3.20 m 的通氣孔，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速水流的摻氣，盡量避免水流造成的空化和空蝕破壞。在孔距的設(shè)置方面，前4 個(gè)排氣孔間距為12.00 m，后一個(gè)為15.00 m，總長(zhǎng)度為51.00 m。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模擬模型

為了分析和驗(yàn)證提出的射流-旋流梯級(jí)內(nèi)消能工的消能效果，利用fluent 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究[6]。該模型具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及十分強(qiáng)大的前處理和后處理功能，可以引導(dǎo)用戶從頭至尾完成模擬過程，使模擬計(jì)算過程變得十分容易。

由于消能工的尺寸比較大，整體建模不僅會(huì)顯著增加計(jì)算量，同時(shí)也不利于計(jì)算精度的提升。因此，研究中基于兩級(jí)消能的實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)射流消能段和旋流消能段進(jìn)行分段模擬。其中，射流消能段的長(zhǎng)度為136.40 m，旋流洞消能段的長(zhǎng)度為265.85 m，整合模型的模擬長(zhǎng)度為402.25 m。模型的網(wǎng)格劃分為結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格兩種主要形式，結(jié)合實(shí)際，對(duì)起旋器采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其余部分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分[7]。第一段模型的進(jìn)口為壓力進(jìn)口，按照上游水位條件計(jì)算，旋流段進(jìn)口條件為流速條件，設(shè)定流速為5.94 m/s。射流、豎井和旋流洞出口均為壓力出口條件。模型的網(wǎng)格劃分和邊界條件如圖2 所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分與邊界條件

流場(chǎng)計(jì)算中常用的方法主要有SIMPLE 算法、改進(jìn)SIMPLE 算法及PISO 算法。本文主要是處理旋轉(zhuǎn)水流問題，PISO 算法具有較好的計(jì)算效果，所以此次模擬的計(jì)算方法的算法選擇PISO 算法。由于研究中的孔口射流以及旋轉(zhuǎn)流均為自由表面的氣水兩相流，因此選取VOF 法進(jìn)行自由表面處理。

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

3.2.1 流速

利用已構(gòu)建的模型對(duì)各段的流速進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得如圖3所示的流速矢量分布圖。由圖3可以看出，水流的流速和流態(tài)在射流消能段進(jìn)口部位呈現(xiàn)出比較明顯的規(guī)律性，在前洞壁的兩側(cè)存在漩渦與回流現(xiàn)象，但是尺度相對(duì)較小，不會(huì)產(chǎn)生比較明顯的影響。受到消能段的影響，水流速度明顯降低，并按照射流的方向進(jìn)入豎井段。從流速的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，該段流速的最大值為24.00 m/s，一般在20.00～21.00 m/s之間，在擴(kuò)散段，水流形成了數(shù)量較多的漩渦，并隨著水流的擴(kuò)散而逐漸消散。

3.2.2 紊動(dòng)能

利用已構(gòu)建的模型對(duì)各段的紊動(dòng)能進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得如圖4 所示的紊動(dòng)能云圖。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，各段的紊動(dòng)能存在比較明顯的差異，其中射流進(jìn)口段水流的紊動(dòng)能強(qiáng)度較小，而擴(kuò)散段水流的紊動(dòng)能最大，最大值為12.1 m2/s2。由此可見，射流擴(kuò)散段存在十分強(qiáng)烈的水流紊動(dòng)作用，可以產(chǎn)生十分明顯的消能效果。隨著水流進(jìn)一步向下游流動(dòng)，紊動(dòng)能也呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，并在尾水段逐漸趨于穩(wěn)定。此外，旋流消能段的水流紊動(dòng)雖然不及射流消能段，但是其水流紊動(dòng)能也達(dá)到了1.3～9.2 m2/s2，且空腔與水流交界部位最大，說(shuō)明該部位具有較為強(qiáng)烈的水流紊動(dòng)作用。

圖3 流速矢量圖

圖4 紊動(dòng)能云圖

3.2.3 消能率

利用數(shù)值模擬計(jì)算的部分結(jié)果，計(jì)算獲取如表1 所示的消能工總消能率。由表1 可知，設(shè)計(jì)的消能工消能率介于72.4%～83.4%之間。同時(shí)，電站上游的水位高度越高，其消能率越大，消能效果也更為顯著。由此可見，設(shè)計(jì)的射流-旋流梯級(jí)內(nèi)消能工消能效果良好。

表1 消能率計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)遼寧丹東梨樹園子水電站導(dǎo)流洞改建泄洪洞消能問題而提出的射流-旋流梯級(jí)內(nèi)消能工，其射流擴(kuò)散段和旋流擴(kuò)散段具有較大的水流紊動(dòng)能，流速和流態(tài)變化比較劇烈，其余部位的流速和液態(tài)相對(duì)比較穩(wěn)定，紊動(dòng)能變化較小，總消能率在72.4%～83.4%之間，具有良好的消能效果，可以在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用。