二相流數(shù)值模擬在泄洪水流形態(tài)研究中的應(yīng)用

向賢鏡 袁 強(qiáng)

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 概 述

泄洪水流的數(shù)值模擬涉及到水氣二相流問題。由于水氣兩相流問題本身就很復(fù)雜，同時水舌的邊界事先都是未知的，邊界確定比較困難，所以它一直是計算流體力學(xué)的難點[1-6]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用雙方程紊流模型，引入水氣二相流的VOF模型，運用PISO[7]算法，對泄洪水流進(jìn)行了三維非恒定流數(shù)值模擬。

2 工程概況

立洲水電站系木里河干流(上通壩—阿布地河段)水電規(guī)劃“一庫六級”的第六個梯級，上游接固增水電站，下游為錦屏一級水電站庫區(qū)，壩址區(qū)位于四川省涼山彝族自治州木里藏族自治縣境內(nèi)博科鄉(xiāng)下游立洲巖子至八科索橋2.4km的河段。樞紐工程由碾壓混凝土雙曲拱壩、壩身泄洪系統(tǒng)、右岸地下長引水隧洞及右岸地面發(fā)電廠房組成。水庫正常蓄水位2088.00m，正常蓄水位以下庫容1.787億m3，最大壩高132m，電站裝機(jī)容量355MW，多年平均發(fā)電量為15.46億kW·h。電站是一座以發(fā)電為主的Ⅱ等大(2)型水電工程。

該水電站的弧形門啟閉梁的最低高程為2038.72m，離泄洪中孔較近。為確定泄洪時水流是否會沖擊到啟閉梁，本文運用三維數(shù)值模擬，對泄洪水流形態(tài)進(jìn)行研究。

3 三維數(shù)值模擬

3.1 模型建立

按1∶1實際尺寸建立三維模型。坐標(biāo)系中Y方向為鉛直方向，Y坐標(biāo)值即為高程值，X軸正方向為水流方向，Z軸方向為垂直水流方向。YOZ平面對應(yīng)泄洪洞起始面。模擬范圍為一整個泄洪洞區(qū)域，并從泄洪洞起始面向上游延伸5m。

采用VOF方法追蹤自由水流表面，紊流模型選擇RNGk-ε模型，速度壓力耦合采用PISO算法。模型分區(qū)域劃分網(wǎng)格，全部使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格扭曲率(skewness)控制在0.45以內(nèi)。網(wǎng)格尺寸最小為0.2m，最大為0.4m，單元體總數(shù)12萬個左右。模擬計算用非恒定流算法逼近恒定流穩(wěn)定解，時間步長取0.001。水流入口采用壓力進(jìn)口邊界條件，水流出口采用壓力出口邊界條件，對進(jìn)口采用明渠流邊界限定。所有氣體邊界都采用壓力邊界條件，其上的壓力為大氣壓值。壁面邊界設(shè)為無滑移邊界條件，黏性底層采用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)法處理。

本數(shù)值模擬采用Gambit軟件建立模型，F(xiàn)luent軟件進(jìn)行流體水力學(xué)計算，Tecplot軟件進(jìn)行后處理(圖1為模型三維立體圖，圖2為模型網(wǎng)格剖分圖)。

圖1 模型三維立體

圖2 模型網(wǎng)格剖分

3.2 計算工況

本次數(shù)值模擬計算共分3個工況。

工況1：上游水位為校核洪水位2090.38m，閘門全開。

工況2：上游水位為正常蓄水位2088.00m，閘門開度4m。

工況3：上游水位為正常蓄水位2088.00m，閘門開度2m。

各工況未考慮設(shè)通氣孔。

3.3 計算結(jié)果及分析

圖3～圖5為各工況下泄洪的水氣分布圖。紅色為水，藍(lán)色為空氣，紅藍(lán)色交界處的彩色為水氣混合體。坐標(biāo)單位為m。

圖3 閘門全開工況穩(wěn)定后水氣分布

圖4 開度4m工況時水氣分布

圖5 開度2m工況時水氣分布

由圖可知，閘門全開工況下水面線最高。梁的最低高程為2038.72m。閘門全開時，若以水占20%空氣占80%作為水氣分界線，則在梁的最低高程處正下方水的最大高程約為2035.4～2035.7m，離梁的最低高程處均尚有約3m的距離。故泄洪水流不會沖擊到弧形門的啟閉梁。

4 結(jié) 語

采用二相流數(shù)值模擬對泄洪水流形態(tài)進(jìn)行分析表明，泄洪水流不會沖擊到弧形門的啟閉梁，啟閉梁在泄洪時是安全的。根據(jù)工程現(xiàn)場反饋的消息，證明了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。