不同入流角度对浅水垫消力池水力特性的影响研究

刘　达,李连侠,廖华胜,黄本胜,蒋胜银

(1.广东省水利水电科学研究院,广东广州510610；2.广东省水动力学应用研究重点实验室,广东广州510610；3.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川成都610065；4.成都市市政工程设计研究院,成都四川610065)



不同入流角度对浅水垫消力池水力特性的影响研究

刘达1,2,李连侠3,廖华胜3,黄本胜1,2,蒋胜银4

(1.广东省水利水电科学研究院,广东广州510610；2.广东省水动力学应用研究重点实验室,广东广州510610；3.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川成都610065；4.成都市市政工程设计研究院,成都四川610065)

摘要：在模型试验对比验证的基础上,采用大涡模拟方法,研究了不同入流角度对浅水垫消力池水力特性的影响。结果表明,水流流速在浅水垫消力池内衰减迅速,且池内最大流速衰减速度随入流角度增加而增大；来流角度越大,形成的淹没水跃跃首位置就越靠前,跃后最高水深也越大,最高水深出现的位置也越靠后；随着角度增大,入流水股对浅水垫末端直立壁面的冲击趋于明显,消力池底板脉动压力基本呈正态分布；消能率随入流角度增加而增加,但超过一定角度,增幅逐渐减小。

关键词：浅水垫消力池；入流角度；大涡模拟；流场；压力；消能率

1问题的提出

浅水垫消力池是在常规消力池的基础上加上一浅水垫,在池内底部形成的水垫可以成为“柔性底板”,对陡坡段水股施予柔性反作用力,“吸收”水股部分冲击力,达到“以柔克刚”的目的。苏沛兰,褥勇伸等[1-3]结合具体的水电工程,采用物理模型试验和k-ε紊流数学模型,初步研究了浅水垫消力池的水力特性,对该新型消力池有了一定的认识。为了验证浅水垫消力池大涡模拟的精度,本文应用大涡模拟方法对特定体形的浅水垫消力池水力特性进行了数值模拟与物理模型试验对比[4],结果表明,消力池内的流态、流速、时均压力及脉动压力等水力参数,两者结果基本一致,说明大涡模拟方法能较好地模拟具有复杂流动的浅水垫消力池的各种水力特性,此外,模拟方法还可以提供雷诺时均模型不能得到的脉动压力信息,便于深入研究浅水消力池的水力特性及消能机理。

以往的研究表明,入流角度是决定浅水垫消力池内的水流特性的一个重要的进口条件,它对池内水跃流态、流速及压力分布均有重要的影响,深入研究入流角度对浅水垫消力池水力特性的影响很有价值。本文采用大涡模拟方法较为深入地探讨了该问题。

2数学模型简介

2.1控制方程

大涡模拟通过求解动量方程直接模拟湍流的大尺度涡旋,小尺度涡旋的影响采用亚网格模型表示,避免了k-ε模型各向同性的缺陷,可以精确地模拟湍流的细节特征。过滤不可压的N-S方程后,可以得到大涡模拟控制方程

(1)

(2)

(3)

(4)

2.2离散与求解

使用有限体积法离散控制方程,时间项离散采用2 阶隐式格式,采用PISO算法处理控制方程中的速度和压力耦合问题[7]。采用VOF法追踪模拟自由表面及水气两相流,在VOF方法中使用几何重建方案来完成自由水面的构建,几何重建方案具有空间的2阶精度,构造界面的精细度较好。

2.3计算区域及边界条件

(1)计算区域如图1所示。进水口开度10cm,在消力池的前端设置了一块挡板,防止数值模型计算时水流溢出。

图1　数模计算区域示意(单位：cm)

(2)边界条件。进口面积A和流量Q根据试验结果得到,是已知的,来流流量和方向可按式(5)计算

(5)

(6)

式中,y为含水的单元格距底板的高程；ρ为水的密度；g为重力加速度。在固壁上应用无滑移条件,近壁的粘性底层利用壁函数法处理。

3数学模型验证

文献[4]对比了各典型工况物理模型试验和数值模拟计算的流速值及脉动压力值,两者吻合良好,该大涡模拟模型可以作为进一步研究的可靠手段。

4不同入流角度对浅水垫消力池水力特性的影响

取5°、9°、13°和17°4种不同入流角度对应4种工况进行了大涡模拟计算,浅水垫深度均为20cm,来流流量为60L/s,就消力池内流场分布、水面线、时均压力、脉动压力等水力特性进行分析和比较。

4.1流场结构分析

精细的大涡模拟流场计算结果见图2。图2表明,4种角度下,入流水股撞击浅水垫,流线产生明显变形,主流均没有触底,流线弯曲程度随入流角度增大而增大。具体而言,小角度时水股被水垫完全“吸收”,很快破碎；角度变大,水股被部分“吸收”,水股尽管总体仍较为连续,但已成“漂移”之势；入流角度较大时,水股呈连续状,但弯曲变形较为明显。由此可见,浅水垫消力池的浅水垫对入流水股产生较为明显的垫层作用,吸纳水股能量,增加水流的混掺效果,对降低临底流速和增加消能效果具有重要作用。

图2　不同入射角度X-Y面流场结构(单位：m/s)

浅水垫段的剖面最大速度(Umax)沿程衰减规律见图3。图中横坐标为无量纲距离,其中,L为浅水垫长度；纵坐标为无量纲速度,Umax为该位置处的最大速度,U0为入池处的最大速度。由图3可见：在4种角度下流速衰减逐步变快,入流角度越大则最大速度沿程衰减程度越明显；池内起始段流速比入池流速稍大,这与入流水股受浅水垫消力池内的底部和上部这两个旋滚挤压有关；此外,池内主流衰减呈波动性,这与水股发生弯曲、变形、混掺相关。

图3　不同入流角度剖面最大速度沿程衰减规律

4.2水面线分析

4种不同入流角度工况的水面线比较如图4。由图4可见,来流角度越大,其形成的水跃淹没前沿位置就越靠前、其跃后最高水深也越大,最高水深出现的位置也越靠后。

图4　不同入流角度时的水面线对比

4.3脉动压力对比分析

对消力池中轴线上沿程1、2、3、4、5、6、7、13号监测点4个工况脉动压力均方根及其偏态系数进行了对比分析,见图5、6。由图5、6可见,随着入流角度的增大,脉动压力标准差的最大值也逐步增大；从消力池入口开始,标准差在水跃区达到极值；同时,由于水股余流对消力池尾坎仍有冲击作用,标准差在此处有一较大值；几种入流角度下,底板压力偏态系数均接近0,说明脉动压力基本满足正态分布。

图5　4种入流角度的脉动压力标准差计算结果对比

图6　4种入流角度的脉动压力偏态系数计算结果对比

4.4消能率对比分析

式(7)为李天翔[8]推导出的计算浅水垫消力池消能率的公式,为与常规无浅水垫消力池的水跃相对比,将基准面定为浅水垫出口高程平面。

(7)

式中,E1为跃前的断面能量；E2为跃后断面能量；θ为陡坡段角度；Y为跃后跃前水深比；Fr1为消力池进口跃前断面的弗劳德数。

计算得到的浅水垫消力池角度为5°、9°、13°、17°的消能率如表1所示。

表1不同角度浅水垫消力池消能率

陡坡段角度/(°)跃前水深/cm跃后水深/cm弗劳德数消能率/%56.6324.003.7448.0795.3428.675.1859.47134.6030.006.4868.03174.1134.677.6770.87

由表1可见,在陡坡段角度增大时,浅水垫消力池的消能率也在增大,从5°到9°,再从9°到13°的过程中,消能率有大幅提高,角度每增大4°,消能率增大10%左右,而从13°变化为17°时,增大的幅度在减小,消能率增幅不明显。

5结语

本文通过大涡模拟计算了不同入流角度对浅水垫消力池的水力特性的影响,主要分析的水力要素为流场结构、水面线、压力、消能率等。计算结果表明,不同入流角度下各水力要素体现出一定的差异性及规律性。由于浅水垫的存在,主流均没有触底,入流角度越大,最大速度沿程衰减程度越明显。随着角度增大,入流水股对浅水垫末端直立壁面的冲击更加明显。各个入流角度下,消力池底板压力均基本满足正态分布,脉动压力标准差的最大值对入流角度增大而增大。对于消能率,基本规律是入流角度越大消能率越大,但超过一定角度,增幅逐渐减小。

参考文献：

[1]苏沛兰, 廖华胜, 李天翔, 等. 浅水垫消力池水力特性研究[J]. 四川大学学报： 工程科学版, 2009, 41(2): 35- 41.

[2]褥勇伸, 廖华胜, 李连侠, 等. 浅水垫消力池的数值模拟与实验研究[J]. 水力发电学报, 2010, 29(2): 36- 41.

[3]刘达, 李连侠, 廖华胜, 等. 双浅水垫消力池水力特性的数值模拟与试验研究[J]. 水利学报, 2012, 43(5): 623- 629.

[4]刘达, 廖华胜, 李连侠, 等. 浅水垫消力池的大涡模拟研究[J]. 四川大学学报： 工程科学版, 2014, 46(5): 28- 34.

[5]ANDERSONJD.Computationalfluiddynamics:basicandapplication[M].Beijing:TsinghuaUniversityPress, 2002.

[6]李天翔. 浅水垫消力池特性研究[D]. 成都： 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室, 2006.

(责任编辑焦雪梅)

收稿日期：2015- 07- 08

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51079091, 51209154)

作者简介：刘达(1981—),男,吉林延边人,高级工程师,博士,主要从事水力学研究．

中图分类号：TV135

文献标识码：A

文章编号：0559- 9342(2016)04- 0049- 04

EffectsofInflowAngletotheFlowCharacteristicsinStillingBasinwithShallow-waterCushion

LIUDa1,2,LILianxia3,LIAOHuasheng3,HUANGBensheng1,2,JIANGShengyin4

(1.GuangdongResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Guangzhou510610,Guangdong,China;2.GuangdongKeyLaboratoryofHydrodynamicResearch,Guangzhou510610,Guangdong,China; 3.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,Sichuan,China;4.ChengduMunicipalEngineeringandResearchDesignInstitute,Chengdu610065,Sichuan,China)

Abstract:Based on the comparison of model tests, the large eddy simulation (LES) method is used to study the influences of different inflow angle on hydraulic characteristics of stilling basin with shallow-water cushion (SBSWC). The results show that, (a) the flow velocity is rapidly attenuation and the attenuation rate of maximum flow velocity increases with the increase of flow angle; (b) if the inflow angle is bigger, the submerged hydraulic jump will be more forward, the highest water depth is also larger and the position of highest water depth will be more rearward; (c) with the increase of angle, the impact force on the vertical wall of SBSWC will increase and the pulsating pressure on the bottom of stilling basin is substantially normal distribution; and (d) the energy dissipation ratio increases with the increase of inflow angle, but the growth rate will gradually decrease when more than a certain angle．

Key Words:stilling basin with shallow-water cushion; inflow angle; large eddy simulation; flow field; pressure; energy dissipation ratio