二相流数值模拟在泄洪闸室水力特性研究中的应用

2019-11-07

中国水能及电气化 2019年10期

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081)

1 概述

枕头坝一级水电站为枕头坝河段两级堤坝式开发的第一级，其上一级为深溪沟水电站，下一级为枕头坝二级和沙坪水电站。坝址处控制流域面积73057km2，多年平均流量1360m3/s。电站采用堤坝式开发，为河床式厂房，正常蓄水位624.00m，最大坝高86.5m，电站装机容量720MW，多年平均发电量32.90亿kW·h，正常蓄水位以下库容0.44亿m3，水库总库容0.47亿m3，为径流式电站。开发任务为发电，兼顾下游用水。

该水电站在泄洪闸室底板出现冲刷破坏，并在某些工况下出现泄洪闸门异响。本文采用双方程紊流模型，引入水气二相流的VOF模型，运用PISO算法，对从上游库区到下游河道进行了三维非恒定流数值模拟，对泄洪闸室水力特性进行研究。

2 三维数值模拟

2.1 模型建立

按1∶1实际尺寸建立三维模型。坐标系中Z坐标值即为高程值，X轴正方向为水流方向，X轴原点为坝纵0+000.00处。Y轴原点对应坝横0+302.55处。模拟范围上游起始为坝纵0+000.00向上游取45m处，末端为坝纵0+000.00向下游取319m处，并对厂房坝段上下游区域做了适当简化。模型分区域划分网格，全部使用结构化网格，网格扭曲率(skewness)控制在0.45以内。网格尺寸最小为0.8m，最大为2.5m，单元体总数25万个左右。模拟计算用非恒定流算法逼近恒定流稳定解，时间步长取0.004～0.01s。水流入口采用压力进口边界条件，水流出口采用压力出口边界条件，对进口和出口采用明渠流边界限定。所有气体边界都采用压力边界条件，其上的压力为大气压值。图1为模型三维立体图，图2为模型网格剖分图。

图1 模型三维立体图

图2 模型网格剖分图

2.2 体型说明和计算工况

闸室段底板原体型为折线连接(见图3)。在坝纵0+036.154和坝纵0+039.794之间增加半径为15m角度为14°的弧形过渡体型为修改体型(见图4)。

图3 原体型示意图

图4 修改体型示意图

弧形工作闸门宽8m，高16m。只开中间一个闸门，开度8m，根据泄洪闸弧形门运行实测水位，此工况下上游水位622.20m，下游水位593.60m。

2.3 计算结果及分析

图5 原体型闸门中轴面速度矢量图 (单位：m/s)

由原体型闸门中轴面速度矢量图(见图5)与修改体型闸门中轴面速度矢量图(见图6)对比可知，二者速度范围差不多，最大速度约为24m/s。原体型由于没有弧形过渡，水流从跌坎处跃过砸向消力池底板，消能不均匀，局部地区能量过大，容易损坏建筑结构。修改体型加了弧形过渡后，贴边流速更为均匀。从速度矢量图上看，修改体型的能量分布较原体型更为均匀，水跃离闸门距离更远。