宽大泄槽掺气结构数值模拟研究

2020-10-31别玉静李浩田

四川建材 2020年10期

别玉静，李浩田

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081)

0 前言

泄洪建筑中无论是溢洪道或泄洪洞，都存在宽大泄槽高速水流掺气难的问题[1]，解决好宽大泄槽的掺气问题，有利于泄洪系统的运行安全[2]，常规的泄槽掺气结构主要依靠边墙两侧开孔的方式向水流掺气[3-4]，但宽大泄槽中部掺气效果较差，这种现象随着泄槽宽度的增大，愈发显著。掺气盲区的结构在高速水流作用下，易发生空蚀破坏，影响泄槽运行安全[5]。本文主要依托某水电站工程，对泄槽掺气结构进行优化，以解决泄槽中部掺气的难题。

1 计算模型与边界

本次数值模拟采用k-ε紊流模型和VOF法计算溢洪道的一级掺气坎。针对溢洪道掺气坎建立三维数学模型，泄槽宽度为50 m，底坡i=7.5%，挑坎高Δ=3.5 m，挑坎坡度1∶16。采用结构化网格划分，模型网格数量337万，掺气坎两侧边墙设置2 m×2 m的矩形掺气槽，跌坎内侧设有6个通气孔作为中部补气管，通过两根圆形掺气管与大气连通，支管间距为4 m。进出口边界条件分别为速度进口和压力出口，壁面采用无滑移边界。

2 掺气管管径对掺气空腔的影响

分别计算了以下情况，计算结果见图1和表1，计算结果提取挑坎下游0.5m处断面。①支管管径均为0.8m，泄量为6 000 m3/s的情况下，主管管径为1.0、1.1、1.2 m时掺气空腔的变化；②主管管径均为1.2m，泄量为6000 m3/s情况下，主管管径为0.6、0.8、1.0m时掺气空腔的变化。

表1 不同掺气结构尺寸下掺气空腔大小(取泄槽中部纵断面)

图1 不同掺气管管径下溢洪道掺气坎下游0.5 m处水-气流状态

研究掺气管结构在不同尺寸下，掺气空腔的变化情况，可以发现，随着主管管径增大，混合空腔长度和纯空腔长度增大，积水深度减小，说明主管直径越大，掺气效果越好；对于掺气支管来说，随着支管管径的增大，混合空腔长度、空腔长度和积水深度并没有呈现明显的规律，但可以看出，在掺气支管0.8m时，混合空腔长度最大，积水深度最小，因此推荐选择掺气主管直径1.2 m，6个支管直径0.8 m组合作为溢洪道掺气结构的设计组合。

3 优化后的结构验证

为验证优化后的掺气结构实用性，在不同泄量下的掺气情况是否满足规范与运行要求，分别计算了小泄量(3 000 m3/s)和大泄量(9 000m3/s)情况下的掺气情况，见图2。可以看出，在合理的工程调度前提下，该结构的适应性较好。

在3 000m3/s的泄量下，所有的掺气孔均通气良好，横纵断面均显示出明显的掺气空腔，且空腔稳定，表明掺气效果良好，泄槽中部存在较大的水气混合空腔，起到了对中部掺气的效果。在9 000 m3/s的大泄量下，仅有边墙两侧的矩形掺气孔和挑坎上靠近中部的圆形掺气孔通气良好，其余4个掺气孔均充满水气掺混物，且中间部位有回流产生，说明两侧的掺气得到了改善，但中部20 m范围内，掺气效果仍然较弱。