水平旋流式内消能泄洪洞数值模拟分析.pdf

《水平旋流式内消能泄洪洞数值模拟分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第42卷第5期2011年3月人民长江Vo1．42．No．5YangtzeRiverMar．，2011文章编号：1001—4179(2011)05—0078—04水平旋流式内消能泄洪洞数值模拟分析邬海波，赵振兴(1．河海大学水利水电工程学院，江苏南京210098；2．河海大学力学与材料学院，江苏南京210098)摘要：为了探究水平旋流式内消能泄洪洞的消能机理及相关水力要素的变化情况，采用RNGk—s双方程紊流模型及基于水气两相流的VOF方法，并结合公伯峡水电站的原型观测资料，得到了洞内流速和压强等水力

2、要素的分布规律。数值模拟结果与公伯峡水电站原型观测数据的对比分析表明，数值模拟方法能够较好地模拟水平旋流泄洪洞的泄流过程；通过改变旋流室入流角度，得出了压强、通气量和消能率的变化规律。关键词：紊流模型；数值模拟；水平旋流；入流角度；消能率中图法分类号：TV651．3文献标志码：A水平旋流式内消能泄洪洞作为一种新型的消能工，有其自身独特的优势，通过水流贴洞室壁高速旋转流动并和空气混掺，可有效减免空化空蚀，同时利用导流洞泄洪可提高经济效益，洞室中形成的空腔环流增加了水流的紊动和水流之间的剪切作用，增大了

3、消能率。目前旋流式消能工在模型实验方面有很多研究，图1水平旋流泄洪洞体型布置(单位：m)包括流速、压强、旋流室空腔直径、旋流夹角、泄流量和消能率等。本文用数值模拟的方法对其流场进行计算分析，并通过与黄河公伯峡水电站原型观测资料进行对比验证，结果与原型资料基本符合。1工程概况公伯峡水电站位于黄河干流上，装机容量1500MW，最大坝高139m，总库容6．2亿m，是国内第1个泄量超过1000m／s，水头超过100m由右岸导流洞改建成水平旋流泄洪洞的大型水利工程。2006年的图2水平旋流洞计算网格(单位：m

4、)原型观测表明，工程获得圆满成功。本文首先选取竖井段至旋流洞段进行计算，上游2数值模拟水位选取2004m，下游为无压出流。接着选取竖井段2．1数值计算与原型比较至导流洞0+420m处作为另一计算体型，工程体型依据公伯峡电站设计资料，见图1，计算离散区域见图2．1．1紊流模型2采用RNGk—s双方程紊流模型，针对复杂曲线自收稿日期：2011—01—24作者简介：邬海波，男，硕士研究生，主要从事流体力学的研究工作。E—mail：wuhaibo8@163．corn第5期邬海波，等：水平旋流武内消能泄洪洞数

5、值模拟分析79由水面和边界条件，利用结构网格来剖分主要三维计占计算区域体积的相对比例。对于某个计算单元，若F算区域；引入适用于分层两相流的VOF方法求解曲线=1，则表示该单元被流体全部充满；若F=0，则表示自由水面。k—s双方程模型对雷诺应力各分量采用各它是一个空单元；若0

6、虑了平均流动中的旋转及旋流流动情向，计算各单元的数值及梯度之后，就可以确定各单况，比较符合本问题研究的构想。此模型是由Yakhot元中自由边界的近似位置。及Orzag提出的，译为重整化群。RNGk一8紊流模型2．1．2算法与条件的连续方程、动量方程和k、8方程分别为：采用有限体积法隐格式迭代求解，速度压力耦合连续方程采用PISO算法。通气口采用压力入口边界条件，水流Op一+：0⋯人口采用速度入口边界条件，以上游库水位2004mOtd与2005in且闸门全开时作为计算初始条件，出口采动量方程用压力出口

7、，壁面取无滑移边界条件，近壁区采用壁面+毒(u一老+老c差一p)函数法处理。2．1．3流速计算结果对比分析(2)计算以竖井轴线方向为方向，导流洞轴方向为z式中，一p=(等+OUj)一了2(p+OUi)×方向，垂直于两轴线方向为Y方向(见图2)，取计算达6d(为湍动粘度，“为时均速度，6为“Kronecker到稳定且质量进出相对误差为0．1％时的结果来分delta”符号，k为湍动能)。析。方程图3为沿z平面剖切得到的中轴线断面计算结果，其中黑色区域为水，白色区域为空气，之间接触区+毒cp=毒[]+G+

8、p占域即为水气分界面，空气腔约在=170m左右处消(3)失，即气腔总长度约为170m，气腔直径为3～6m，呈s方程沿程先增大后减小趋势，且较稳定。故模型中水气交界面为空气腔区域，且在z=170m以后转变为明渠流+=毒尝】+宰Gp"92态，水面线可由图中看到。依据原型观测资料，同时由于旋转水流的对称性，(4)取近壁面流速进行分析，由图4可看出，计算值比涂层式中，P和为密度和分子粘性系数；=+；=痕迹分析法得到的原型值稍大，原型值为34．22～pC(与8分别为紊动动能和紊