挑流消能二相流数值模拟在老坝治理中的应用

2017-11-15，，

四川水利 2017年5期

关键词：挑流纵坐标横坐标

，，

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳，550081；2.南京水利科学研究院水工所，南京，210029)

挑流消能二相流数值模拟在老坝治理中的应用

袁强1，王新2，骆少泽2

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳，550081；2.南京水利科学研究院水工所，南京，210029)

某水电站大坝全面治理工程要在原大坝下游120m处新建一座大坝。本文引入VOF模型，运用PISO算法，对老坝的挑流消能从上游库区到下游水垫塘进行了水气二相流二维非恒定数值模拟，获得了老坝下泄水流对新坝的冲击情况，对新坝的施工期度汛有较好的指导意义，也对更多的老坝改造工程有着重要的参考价值。

挑流二相流 VOF模型数值模拟老坝治理

1 前言

某水电站大坝全面治理工程是按恢复电站原任务和功能的要求，在原大坝(以下皆称老坝)下游120m处新建一座大坝(以下皆称新坝)。新建坝体施工期会受到老坝度汛下泄的高速水流的冲击作用。为了研究老坝泄洪对施工期新坝不同的浇筑坝段和高程的影响，了解老坝下泄水流对新坝的冲击形式，如冲击速度、角度、位置，对老坝进行了挑流消能的数值模拟研究。

对挑流消能的研究，已经有不少研究成果[1]～[2]。挑流的数值模拟涉及到水气二相流问题，由于水气二相流问题本身就很复杂，同时挑流水舌的边界事先都是未知的，边界确定比较困难，所以它一直是计算流体力学的难点[3]。本文在前人研究的基础上，采用双方程紊流模型，引入多相流的VOF模型，运用PISO[4]算法，从上游库区到下游河道进行了二维非恒定挑流数值模拟。

2 二维数值模拟

2.1 模型建立

采用老坝实际尺寸，建立挑坎的二维模型。纵坐标方向为铅直方向，纵坐标值即为高程值，新坝建基面高程为182.96m。横坐标方向为顺水流方向，老坝溢流堰的最高点横坐标为0，新坝上游面位置横坐标为134.5。模拟范围从上游水库至下游河道，包括中间整个溢流段，模型向上游取库区长度约20m。采用四边形单元对整个计算模型进行非结构化网格划分，网格扭曲率(skewness)控制在0.45以内。计算网格的划分如图1所示。

图1 计算网络划分

研究老坝泄洪挑流对新坝的冲击情况，应该知道新坝与老坝的相对位置及新坝的施工过程。新坝在汛前汛后的施工高程见表1。

表1 溢流坝段汛前汛后施工高程

2.2 计算工况和边界条件

(1)计算工况

选择校核洪水位267.70m作为计算工况。

(2)边界条件

上游采用水位压力条件，用C语言编写UDF定义进口条件，水位之上采用压力进口边界条件，模型上部亦采用压力进口边界条件，下游采用压力出口边界条件，其他均为固壁边界条件，下游水位未考虑。

2.3 计算结果及分析

图2为从泄流开始(t=0s)至挑流稳定不同时刻泄流的体积分数图，从中可以很清楚地看出挑坎的挑流过程和挑流流态。图3为水和空气混合相流速矢量图，图4和图5分别为流线图和压力等值线图。

(a)t=0s

(b)t=5s

(c)t=7s

(d)稳定后

图3 混合相速度矢量图

图4 流线图

图5 压力等值线图

图6为挑流的体积分数在新坝上游面位置沿纵坐标的分布图。由图可知，挑流水舌对新坝冲击位置在204.5m至212.5m高程处。图7为挑流在新坝上游面位置挑流混合相速度矢量图，图8为混合相速度大小在新坝上游面位置沿纵坐标的分布图。由图可以看出，在高程209.3m处速度最大，约为33.7m/s。图9为混合相速度角度在新坝上游面位置沿纵坐标的分布，可以看出挑流水舌与水平向夹角约为19°。

图6 挑流的体积分数在新坝上游面

图7 新坝上游面位置挑流混合相速度矢量图

图8 混合相流速在新坝上游面位置沿纵坐标的分布

图9 混合相速度角度在新坝上游面位置

挑流水舌经过新坝上游面204.5m～212.5m高程范围，若新坝填筑高程低于204.5m时，挑流水舌将跃过新坝，若新坝高程在204.5m～212.5m之间，挑流水柱将有部分水舌跃过新坝。挑流水舌跃过新坝后在186m高程分布在横坐标约234m～241m处，即距新坝上游面约99.5m～106.5m；挑流水舌跃过新坝后在191m高程分布在横坐标约230m～236m处，即距新坝上游面约95.5m～101.5m；挑流水舌跃过新坝后在193m高程分布在横坐标约200m～205m处，即距新坝上游面约65.5m～70.5m。详见图10。