基于CFD的竖井消能泄洪洞数值模拟

刘长勇

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

竖井消能按照水流运动状态可分为旋流消能和跌流式消能[1]。跌流式竖井消能目前应用的工程实例较少，相应的经验和研究也不多，水流跌落对底板的冲击问题较难解决。旋流式消能工种类很多，按水流进入旋流发生装置的方式分，有单旋和双旋消能(包括同向和反向)，后者结构复杂[2]。在工程上较实用的是单向旋流消能，即设计成水流绕竖井轴旋转流动的“旋流竖井”和水流经竖井降落后绕水平洞轴线旋转流动的“竖井-水平旋流”两种泄洪洞[3]。

水平旋流式内消能工，其引水道轴线和泄水道轴线不在同一平面内，水流在惯性作用下，经过起旋器改变流向，沿泄水道轴线向下游水平运动，同时又沿环向做旋转运动，通过绕水平洞轴线的强烈紊动来消耗一部分水流能量[4]。

国外对竖井式消能泄洪洞的研究起步较早，20世纪50年代，低水头、小泄量的竖井跌流式消能溢洪道在美国和西欧国家就被广泛应用，其中引水道进口大多数为喇叭形进口[5-7]。20世纪60年代，意大利的C.Drioli和法国的D.Jeanpierre等对旋流式竖井泄洪洞进行了一些早期的研究，并应用在部分泄量不大的小型水利工程的缓流引水道中，如意大利的蒙特阿金托(MonteArgento)、娜尼(Narni)、柯邦斯(Curbans)等水利工程。

1 工程概况

某水电站位于一级支流上，水电站工程以发电为主，枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、右岸泄洪兼导流洞、左岸溢洪洞、左岸引水发电系统及电站厂房组成。水电站装机容量3×18 000 kW，总库容4.21×108m3，坝顶高程3998.50 m，最大坝高120.80 m，水库正常蓄水位3995.60 m，校核洪水位3997.30 m。枢纽工程等别为Ⅱ等，工程规模为大(2)型工程，主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级，因混凝土面板堆石坝坝高超过90 m，提高一级为1级建筑物。水电站泄洪兼导流洞布置于右岸，原设计泄洪洞以“龙抬头”形式与导流洞衔接。导流洞室为城门型无压洞，洞径5.5 m×7.0 m(宽×高)，进口底板高程为3902.00 m，洞出口底板高程为3894.60 m，洞身总长为592.00 m，设计最大下泄流量为227.10 m3/s。

2 材料与方法

2.1 竖井泄洪洞初步设计体形概况

水电站竖井消能泄洪洞中泄洪洞进水口、竖井引水道、竖井和退水洞体形尺寸如图1所示。泄洪洞与导流洞结合段长度为50 m。计算模型上、下游水体体形简化为长方体，为避免边界条件影响计算结果，水体模型边界尽量远离泄洪洞进出口。

图1 竖井消能泄洪洞计算模型图(单位:m)

2.2 网格划分

计算单元网格整体计算域采用结构化网格划分，泄洪洞进水口、竖井引水道、旋流竖井、退水洞和导流洞按0.5 m尺寸剖分单元，上、下游水体适当变疏，按1.0 m剖分，共有节点150 693个，单元134 845个。

2.3 边界条件及算法设置

上游进口设为压力进口边界，给定水位高程为3992.00 m；下游出口设为压力出口边界，给定水位高程为3900.62 m；起旋室顶设为空气压力进口边界，模型其他外边界均为壁面边界，黏性底层采用壁面函数法处理。采用有限体积法，迭代方式为隐格式迭代求解，压力速度耦合采用适用于强旋转流的PISO算法，离散格式采用QUICK格式，使用VOF法捕捉自由水面，利用标准k-ε紊流模型，实现竖井泄洪洞的三维数值模拟。

3 初步设计体型计算及分析

3.1 初设体型的计算结果

依据该水电站竖井消能泄洪洞初步设计体形模型，设置计算时间步长为0.05 s，当计算至1000步时，模型进水口流入流量为225.9 m3/s，出水口流出流量为227.1 m3/s，进、出水口流量相差1.2 m3/s，且流量基本恒定，说明模型已计算收敛。三维数值模拟计算进水口流量与公式计算流量231.0 m3/s相差5.1 m3/s，差别不大，不到2.3%，满足不小于200 m3/s流量要求，计算精度也满足要求。流态计算结果如图2所示，云图中最小值“0”表示为水，最大值“1”表示为空气，最小值“0”和最大值“1”之间的区域为水和空气的混合体，云图对应的数值表示空气在混合体所占的比例，即含气量。

图2 初步设计体形竖井消能泄洪洞流态计算结果云图

由计算结果可以看出，水流在进入竖井前，基本为水气分离状态；水流进入竖井后，在竖井边壁附近形成水气混合体，从上游到下游混合体含气量逐渐变小。

流速计算结果如图3所示，由计算结果可以看出，水流在进入竖井前，流速在20～24 m/s之间，水流在导流洞内的流速从上游到下游逐渐减小，在距竖井出口约20 m处平均流速降为25 m/s，在导流洞末端流速约15 m/s。

图3 初步设计体形竖井消能泄洪洞流速计算结果矢量图

压力计算结果如图4所示，由计算结果可以看出，水流在泄洪洞工作闸门以前、竖井进水口部位以及竖井消力池底部压力较大，其他部位压力均较小。竖井进水口部位最大压力约220 kPa，竖井消力池底部压力最大值约280 kPa，在竖井和出水口交接处的顶部有最大值约-61.2 kPa的负压。

图4 初步设计体形竖井消能泄洪洞压力计算结果云图

流线计算结果如图5所示，由计算结果可以看出，由进水口进入竖井的水体，其上表部在竖井内旋转约两圈，底部在竖井内旋转约一圈。

图5 初步设计体形竖井消能泄洪洞流线计算结果

3.2 最优下挖消力池深度的确定

在竖井消能泄洪洞结构中，消能竖井的下挖消力池深度对竖井出水口的流态和流速有很大影响。若下挖消力池深度过小、水垫较浅，会使水流未完全掺合便进入出水口，消能率较低；若下挖消力池深度过大、水垫较深，会使消力池内的水流不能产生较高的旋转流速，消力池内只有竖直向流速水流相掺合，消能率也较低。只有当下挖消力池深度适中其消能率最高，此时的深度为最优消力池深度。但最优下挖消力池深度的设计，没有可参考的资料和经验，只能通过大量的试算来确定。

经过对该水电站竖井消能泄洪洞不同竖井下挖消力池深度的模型计算分析，可以得出不同消力池深度计算的进水口流量均为225.9 m3/s，说明消力池深度对泄量影响，均能满足泄量要求。消力池深度对下游导流洞的流态影响较大，当消力池深度在3.0～3.5 m时，导流洞内上部为空气、下部为掺气量较小的水气混合体，流态较好；当消力池深度3.0 m或3.5 m时，导流洞全断面均为掺气量较大的水气混合体，流态较差。竖井消能率为原龙抬头计算流速减去数值模拟计算流速，之差除以数值模拟计算流速。

不同消力池深度计算的竖井出水口流速和竖井消能率见表1，竖井出水口流速和消能率随消力池深度的变化规律分别如图6和图7所示。由计算>结果可以看出，下挖消力池深度对竖井出水口流速和竖井消能率影响较大，当消力池深度为3.0 m时，出水口流速最小、消能率最大，但流速分布不均匀；当消力池深度为3.5 m时，出水口流速较小、消能率较高，且流速分布比较均匀。

表1 不同消力池深度计算的竖井出水口流速和竖井消能率

图6 出水口流速随消力池深度变化图

图7 竖井消能率随消力池深度变化图

4 结 论

(1)初步设计体形流量计算结果与公式计算结果相差很小，满足原设计泄量要求，选定工作闸门孔口尺寸合适。

(2)水流经竖井旋流消能后，在竖井出水口部位掺气量比较大，能够达到防空蚀的目的，但高掺气量使下游导流洞内为全断面有压流，且水流比较混乱。

(3)在竖井出水口部位水流最大流速约28.6 m/s，出口流速仍较大；与“龙抬头”式泄洪洞最大流速33.8 m/s相比，消能率约为30%，消能率较低。

(4)水体在竖井内产生的压力值均较小，水压力不是决定体形选择的决定性因素。

(5)初步设计体形能够使竖井进水口水流起旋，并在竖井内旋转比较充分。

综上所述，竖井消能泄洪洞初步设计体形满足泄量要求，水体在竖井内旋转较充分，能达到掺气防空蚀的目的，且竖井内水压较小，但也存在竖井出水口流速较大、消能率较低、流态较差和负压较大的问题，应根据计算结果对设计体形做进一步优化设计，以便更好地判断竖井消能泄洪洞在本工程的适用性。