固定錐形閥消能設(shè)施消能效果的數(shù)值模擬研究

蘇克巴圖，童成彪，方 鑫

水工試驗(yàn)

固定錐形閥消能設(shè)施消能效果的數(shù)值模擬研究

蘇克巴圖1，童成彪2，方 鑫2

（1.新疆巴州若羌河米蘭河流域管理處，新疆巴州841800；2.中閥科技（長沙）閥門有限公司，長沙410007）

針對固定錐形閥的閥后出口水流流速較大的問題，需要在閥后布置相應(yīng)消能設(shè)施來消除多余動能，通過使用VOF方法對錐形閥排出流體的流動狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算模擬，研究和探討了不同消能設(shè)施布置方式對出口水流能量消除的影響。結(jié)果表明，合理的錐形閥后消能設(shè)施布置能夠有效消除閥門出口動能，最大消能率達(dá)89.6%。消能效率與消能池深度和池長均同時存在關(guān)系，較深且較長的消能池和較淺且較短的消能池布置方案具有較好消能效果。

固定錐形閥；VOF方法；消能；數(shù)值模擬

1 引言

固定錐形閥主要用于水利工程大壩放空、水電站機(jī)組旁路、水利或水電灌溉系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)和能量消除［1-2］。該閥門出口水流具有較高流速，一般情況下，水流直接對空排放，通過水與空氣之間的摻氣作用將動能消除。但實(shí)際應(yīng)用中由于受到場地空間限制，通常不允許錐形閥出口有大范圍噴射水流。

針對錐形閥半淹沒出流工況，上游水流經(jīng)過錐形閥的作用將靜壓能轉(zhuǎn)化為動壓能，并沖擊下游的消能池等設(shè)施，當(dāng)水流由急流到緩流過程中將會發(fā)生水躍現(xiàn)象［3］，而水躍具有消能特性，閥后消能池的設(shè)計(jì)主要原理就是利用可控制水躍來進(jìn)行消能。

由于錐形閥出口水流流速較高，其在下游消能池中進(jìn)行消能時，水流流態(tài)混亂，三維紊流劇烈，通過經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式難以準(zhǔn)確描述其消能效果，而物理模型試驗(yàn)周期長、投資大，隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算技術(shù)發(fā)展，水流流動模擬計(jì)算應(yīng)用越來越廣泛，同時具有較高準(zhǔn)確度。數(shù)值模擬已經(jīng)能夠比較真實(shí)地反映水流運(yùn)動特性，從而為工程方案優(yōu)化節(jié)省時間，提高研究效率。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 自由液面的數(shù)值模擬方法

利用有限體積法對通過錐形閥的水流在下游消能池中的流動狀態(tài)進(jìn)行模擬分析［4］，進(jìn)而研究水流流動特點(diǎn)和消能池的消能效果，為設(shè)計(jì)合理的消能設(shè)施提供參考。水流在消能池中的運(yùn)動屬于明渠流范疇，在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算過程中將使用到VOF（Volume of fluid）方法［5］來進(jìn)行水流與空氣之間的交界面跟蹤計(jì)算。

VOF方法是由Hirt和Nichols在1981年提出的處理復(fù)雜自由表面的有效方法，是目前應(yīng)用非常廣泛的一種追蹤自由表面的數(shù)值方法。該方法使用靜態(tài)或以某種確定形狀網(wǎng)格以適應(yīng)與界面形狀的演化。在進(jìn)行流體力學(xué)的數(shù)值計(jì)算中通過定義流體體積函數(shù)VF=F（x，y，z，t）表示計(jì)算區(qū)域內(nèi)流體體積占據(jù)計(jì)算區(qū)域的相對比例，對于某個單元，VF=1表示該單元被流體完全充滿；VF=0表示該單元是個空單元，沒有流體；VF=0~1表示該單元被流體部分充滿，VOF法只用一個函數(shù)就可描述自由表面的各種復(fù)雜變化。

基于VOF方法連續(xù)性方程和動量守恒方程描述為式（1）、式（2）。

式中u，v，w為x，y，z方向上的速度；Ax，Ay，Az為單元內(nèi)x，y，z方向上可流動的面積分?jǐn)?shù)；Ui為i方向上的速度，i為x，y，z 3個方向；VF為單元內(nèi)流體體積分?jǐn)?shù)；ρ為流體密度；xi為i方向坐標(biāo)，i為x，y，z3個方向；p為流體壓力；Gi為x，y，z方向上的重力加速度；fi為x，y，z方向上的黏滯力。

2.2 RNG k-ε湍流模型

在流體數(shù)值模擬計(jì)算中，若流動狀態(tài)為湍流，則直接求解N-S方程將消耗巨大的計(jì)算機(jī)資源和時間，故實(shí)際工程中湍流問題處理主要是對瞬態(tài)N-S方程進(jìn)行時間平均處理，同時補(bǔ)充反映湍流特性的其他方程使控制方程組封閉，進(jìn)而使方程存在唯一解。

對于湍流流動數(shù)值方法，工程上通常采用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon兩方程模型［6］進(jìn)行求解計(jì)算，而對于具有強(qiáng)旋流的高雷諾數(shù)問題，RNG k-epsilon模型［7］則具有更準(zhǔn)確的描述，其湍動能方程和湍動能耗散率方程為式（3）、式（4）。

式中ρ為密度；k為紊流動能；ε為紊流動能耗散率；ui為速度；μ為黏度；μt為紊流粘度；σk為k值的紊流普朗特?cái)?shù)；σε為ε值的紊流普朗特?cái)?shù)；Pk為由于平均速度梯度產(chǎn)生的紊流動能；C1ε為常數(shù)1.42；C*2ε為常數(shù)1.68。

3 錐形閥后消能設(shè)施數(shù)值計(jì)算

在錐形閥后的消能池中，水躍現(xiàn)象將泄水建筑物泄出的急流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚饕越^大部分消除動能，進(jìn)而防止高速水流沖刷下游水工建筑物。水躍消能主要靠水躍產(chǎn)生的表面旋滾及旋滾與底流間的強(qiáng)烈紊動﹑剪切和摻混作用。由于水躍流態(tài)復(fù)雜，水流波動劇烈，應(yīng)用數(shù)值模擬方法對其進(jìn)行研究得到越來越廣泛的應(yīng)用。一般情況下錐形閥后空間較小，且附近存在多種水工建筑物，在設(shè)計(jì)下游消能設(shè)施時，宜選用消能池加消能坎的綜合消能形式。針對此綜合式消能池設(shè)計(jì)，主要考慮參數(shù)為消能坎高c、消能池深S和消能池長度Lk等。

數(shù)值計(jì)算區(qū)域主要包括錐形閥上游入口管道，固定錐形閥及閥下游消能設(shè)施，計(jì)算模型設(shè)計(jì)如圖2。模擬計(jì)算過程中設(shè)置上游入口總水頭為50m，下游出口為自由出流，壓力大小為大氣壓，管道和消能池壁設(shè)為無滑移的壁面邊界條件，而固定錐形閥的通徑則設(shè)置為2000mm。

圖1錐形閥消能設(shè)施設(shè)計(jì)

圖2 和圖3中為計(jì)算區(qū)域內(nèi)壓力分布云圖和速度分布云圖，表明壓力和速度在固定錐形閥前和閥后變化較大，在錐形閥后壓力出現(xiàn)較大程度降低，且閥出口位置速度最大。由此可知，上游水流經(jīng)過錐形閥作用之后，將其壓力能轉(zhuǎn)換為動能并進(jìn)入消能池中，由于速度劇烈變化導(dǎo)致消能池中水流波動劇烈而產(chǎn)生水躍現(xiàn)象，在此過程中絕大部分能量被消除，故在下游出口位置的速度和壓力降到最低，達(dá)到消能的效果。

圖2 壓力分布云圖

圖3 速度分布云圖

計(jì)算區(qū)域內(nèi)的流體湍動能分布情況如圖4。由湍動能分布特點(diǎn)可知，在消能池內(nèi)和消能池出口位置的水流湍動能較大，表明這些位置湍流較為劇烈，能量消除主要在該處進(jìn)行。

圖4 湍動能分布

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得到水流在沿流動方向上速度變化特點(diǎn)如圖5，可以發(fā)現(xiàn)，水流在上游具有較高速度和水頭，然后在通過固定錐形閥時由于導(dǎo)流錐作用使流體壓力能轉(zhuǎn)化為動能，故其速度瞬間增大并流入下游消能池中，由于消能池作用而使其速度又瞬間降低并產(chǎn)生水躍，水躍產(chǎn)生表面旋滾及旋滾與底流間的強(qiáng)烈紊動﹑剪切和摻混作用使水流絕大部分能量被消除掉，水躍之后其速度有一定回升，在整個過程中能量被消除而出流速度較小，不會對下游水工建筑物造成沖刷。

圖5 沿流動方向的速度變化情況

在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的過程中，主要考慮消能池總深度和長度對錐形閥后出口水流消能效果的影響，故在相同上游水頭條件下，設(shè)置不同消能設(shè)施布置方案，進(jìn)而考察和比較其消能情況。

根據(jù)水力學(xué)理論，流體能量主要分為兩部分，靜止流體所具有的靜壓能及流體分子運(yùn)動過程中的動壓能。所以在分析消能池的消能特點(diǎn)時，采用比較上游和消能池出口的總壓降低的程度，從而比較不同結(jié)構(gòu)消能設(shè)施的消能效果。計(jì)算區(qū)域內(nèi)流體介質(zhì)能量計(jì)算按照式（5）進(jìn)行［8］。

式中P為流體具有的靜壓值；ρ為流體具有的密度；g為重力加速度；v為選取截面的平均流速。

為了比較消能效果的優(yōu)異程度，引入消能效率概念，從而利用比較消能效率的大小來評價不同消能設(shè)施所產(chǎn)生的消能效果，計(jì)算方法如式（6）。

式中K為消能效率；Ein為閥前水流具有的能量；Eout為閥后水流具有的能量。

通過CFD計(jì)算分析，在獲得計(jì)算區(qū)域內(nèi)流體流動分布情況基礎(chǔ)上，利用式（5）和式（6）對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行處理得到消能效率，不同的消能設(shè)施布置方案和消能率的大小如表1。D為圖1中錐形閥公稱直徑。

表1 消能設(shè)施布置及消能率

續(xù)表1

數(shù)值模擬結(jié)果表明，錐形閥后的消能設(shè)施能夠有效消除閥門出口動能，消能率最大可達(dá)89.6%。在池深較淺時候，消能池對水流消能率隨池長的增加而降低；而在池較深時則情況相反。消能池的消能效率與深度和池長均同時存在關(guān)系，較深且較長消能池和較淺且較短消能池布置方案具有較好的消能效果，如考慮建造成本則優(yōu)先使用較深且較淺消能池布置方案。

為了研究不同流動邊界下相同的消能設(shè)施設(shè)置的消能效果變化情況，以下使用編號6的消能池設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算分析。系數(shù)描述如式（7）［9］：

式中v為錐形閥出口水流速度；g為重力加速度；h為下游消能池水深。

在進(jìn)行數(shù)值模擬過程中，錐形閥上游設(shè)置不同總水頭大小，進(jìn)而改變了進(jìn)入消能池水流流速，其弗勞德數(shù)亦變化，比較其消能效率的變化情況，根據(jù)模擬結(jié)果得到弗勞德數(shù)與消能效率的關(guān)系，如圖6。

圖6 不同弗勞德數(shù)下的消能效率情況

由圖6可知，設(shè)置消能池后能夠有效消除錐形閥出口水流動能，流動狀態(tài)越湍急，弗勞德數(shù)越高，則消能效率越高；消能率隨著弗勞德數(shù)的減小而有所降低，但在一定的弗勞德數(shù)范圍內(nèi)，合理設(shè)置下游消能池的尺寸方案布置能夠消除絕大部分水流動能，從消能池出來的水流具有較低能量，速度較低，不會對下游水工建筑物造成沖刷等影響。

4 結(jié)語

（1）運(yùn)用CFD技術(shù)對錐形閥出口水流的流態(tài)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，通過計(jì)算能夠較好確定各主要尺寸值，優(yōu)化了消能設(shè)施的布置和設(shè)計(jì)。

（2）依靠VOF方法在數(shù)值計(jì)算過程中進(jìn)行表面定位、跟蹤及演化，能夠精確計(jì)算出流體表面變化和分布情況，是目前應(yīng)用最為廣泛的自由液面數(shù)值處理方法。而RNG k-epsilon湍流模型則能夠更好地處理具有強(qiáng)旋流的高雷諾數(shù)流動問題。

（3）通過CFD計(jì)算分析，消能率將高達(dá)87%，消能池的消能效率與消能池的深度和池長均同時存在關(guān)系。消能池的消能效率隨著弗勞德數(shù)的增大而升高。數(shù)值模擬結(jié)果能夠?yàn)楹侠聿贾煤驮O(shè)計(jì)閥后消能設(shè)施提供有力參考。

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［9］Newman JN.Marine hydrodynamics［M］.The MIT Press，1977.

Numerical Simulation of the Energy Dissipation Device of Fixed-Cone Valve

SU ke ba tu，TONG Cheng-biao，F(xiàn)ANG Xin
（1.Bazhou Milan Ruogiang River Basin Management Office,Bazhou 841800,China；2.China Valve Technology（Changsha）Co.，Ltd.，Changsha 410007，China）

Since the outlet of fixed-cone valve has a high velocity，some energy dissipation device after the valves must be laid out to eliminate the extra kinetic energy，The flow condition of fluid discharged from the fixed-cone valve would be simulated with the VOF method in the paper，and the influence of different energy dissipation device layout plans were studied and discussed.The results of numerical simulation showed that，Reasonable energy dissipation device behind the fixed-cone valve can effectively eliminate the kinetic energy after the outlet of the valve，the dissipation ratio can reach as high as 89.6%.Both the depth and length of the energy dissipation pool have relationship with the efficiency of energy dissipation，a deeper and longer pool or a shallower and shorter pool can get a better energy dissipation result.

Fixed-cone valve；VOF method；Energy dissipation；Numerical simulation

TV653

A

1672-9900（2016）04-0070-04

2016-06-08

蘇克巴圖（1972-），男（蒙古族），新疆和靜人，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)、施工工作，（Tel）18009965322。