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1、中国农村水利水电%%""(年第)期!%,文章编号!!""#$%%&’!%""("")$"!%,$"*阻抗式调压室流场的数值模拟向!英!刘德祥!武汉大学水利水电学院#武汉’*""#%"!!摘!要!以一个工程实例!从数值模拟和模型试验两方面对阻抗式尾水调压室内的流场进行了分析"使用N-9软件._5]5N-F!采用B_82%/湍流模型计算了调压室内的三维流场!得到了两个重要工况的最高#最低涌浪值及水位衰减的过程曲线"对比分析表明数值模拟的结果与模型试验的结果基本一致"!!关键词!N-9$调压室$数值模拟$模型试验!!中图分类号!6C#*%+,!!!文献标识码!
2、E*(J’闸门关闭时间为&J’下游水位!%#+’1!调压室底部高程!!引水式电站往往具有较长的有压隧洞或称水道$当水力1机组负荷在较短时间有大幅度变化时$隧洞内可能会产生很为!"(+)!,1"’*台额定出力运行的状态用稳态问题来描述#*高的水击压力压为避免这种现象的发生#需要在电站的水道系个尾水管的入口流速为常量#与时间无关$同时全甩负荷时#统中设置调压室$在运行过程中调压井的水面也会产生较大导叶在&J内关闭#*个尾水管的入口流速在&J内随时间线性幅度的上下波动#这种波动#有可能引起机组运行的不稳定$减少#然后保持为零#这过程是一个瞬态问题$稳态问题的解
3、因此有必要分析调压室中的流场#确保工程安全$答就是瞬态问题的初始条件$首先生成三维六面体网格如图%所示$!!数值方法任何流体运动的动力学特性都是由质量守恒律%动量守恒律和能量守恒律所确定的$这些基本定律可由数学方程组来描述#如欧拉方程!d^YVI方程"#纳维O斯托克斯方程!_=‘?VI$5AT2VJ方程"等#利用数值方法通过计算机求解描述流体运动的数学方程#揭示流体运动的物理规律#称之为计算流体力学$本文采用._5]5N-F,+#进行数值分析$下面以一控制工况为例#说明数值模拟的过程$数值模拟的过程可由图!简单描述$图"!N-F分析时所用的网格!!然后设
4、置分析模型和边界条件$水流经*个同样尺寸的尾水管进入调压室#再经过尾水隧洞流入河道下游$调压室的水位随进入尾水管的流量和下游水位的变化而发生相应的改图!!用N-F的模拟过程变$这种情况可用通用多相流模型的C7-模型!CTY^1VTU!!最低涌浪水位工况的基本数据&*台额定出力运行时同时-Y^?MKTMVY"来描述自由面流动#体积率为"+,的点的组成的全甩负荷’阻抗孔直径为"+!1’尾水管初始流量为*;!’"+!#曲面为水与空气的分界面$设最高涌浪时#水不会从调压室顶部溢出但空气可以进出#所以设置调压室顶面为开放边界条收稿日期!%"",$!!$%)件#水的
5、体积率为!#自然的#空气的体积率就为"’尾水管的进作者简介!向!英!!)#%$"#女#讲师$口为速度入口条件#设最低涌浪时不会有空气倒入#于是水的!%(阻抗式调压室流场的数值模拟!!向!英!刘德祥体积率设为!!尾水隧洞的出口是开放边界条件"因为水位波动录中最后一个时间增量步的文件"便可在后处理器中看到每一时"水流是可进可出的"水的体积率设为!!除了以上*个边界"时间增量步的分析结果#其他所有的外边界都设为壁面边界#通常情况"混凝土的表面"!%J内"*台机组额定出力尾水管流速不变"尾水管初始粗糙度为"+*!*11#本文计算时混凝土的表面糙造度为"+,流量为
6、*;!’"+!#1*’J!%!!"J内"*台机组同时全甩负荷"尾11#选择B_8$BV@TI1=Y?a=A?T@$3IT^P%重正化群&2%/湍流水管流速线性减小至零!!"!!""J内"尾水管流速保持为零#模型"各参数取默认值进行求解#经过后处理"得到最低涌浪工况的水位变化情况图"如图,*台机组额定出力运行时"*个尾水管的入口流速为常量#所示%稳定后"调压室水位和管道内的流速与时间无关"所以"求初始水位的问题是一个稳态问题#初始水位为!*!+##1"初始水位如图*所示"其流态如图’所示#图&!最低涌浪工况的水面随时间变化图从图(中得知"在时间刻度为%J时
7、"初始水位为!*!+#,)%1#在时间刻度为*"J时水位达到最低值!%"+’,,1"这是第一涌浪水位!在时间刻度为#&J时水位达到最高值!*%+&%%(1#这是第二涌浪水位#当时间趋于无穷时"调压室的水位将衰减至平衡位置"即与下游水位相同"所以可以将这一水力过程理解为一有阻尼的振动模型#水位的平衡位置为下游水位图#!稳态水位图!%#+’1#第一涌浪水位低于下游水位(+)’,1"第二涌浪水位高于下游水位,+’%%(1#振幅差为O!+,%%’1"明显有衰减"表示系统的机械能在随时间增大而减少#其原因显然是湍流模型有能量耗散#第二涌浪水位比初始水位!*!+#,
8、)%1还高!+"(*’1"这也不难理解#因为"当时刻为!"J"导叶完全关闭时水力
