基于模擬實驗的摻氣挑坎布置位置優(yōu)化研究

基于模擬實驗的摻氣挑坎布置位置優(yōu)化研究

0摻氣挑坎布上墻的保護范圍所謂節(jié)水等級，是指將水庫和陡坡之間的過渡工程建筑相結(jié)合，目的是使底部平整改變，避免不良水分配率?？v截面通常呈線性。例如，在進水口建筑物中廣泛使用的“龍頭”和“龍尾”段，以及段的其他段，通常是高速水流。為了防止下游的空侵蝕和破壞，需要配置混煤裝置。這不僅可以有效防止河流中的空侵蝕和破壞，還可以降低溢流面不均勻控制基準(zhǔn)，縮短施工時間，節(jié)約投資。經(jīng)濟效益和安全狀況非常明顯。為增大保護范圍,可在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)將摻氣挑坎盡量向上游布置.筆者從試驗中發(fā)現(xiàn),摻氣挑坎布于渥奇面中部或中部以上位置,將會出現(xiàn)嚴(yán)重的散水現(xiàn)象,即在流速較高時,水流表面會有摻氣,并且會有水滴和水團不斷從表面濺出,嚴(yán)重時可以濺出模型邊墻(圖1).雖然此時也能滿足摻氣減蝕要求,但流態(tài)差不能滿足工程要求.若將摻氣挑坎布于渥奇面下游,保護范圍雖略有減少,但散水將明顯減弱,一般渥奇面設(shè)計合理的話,不會產(chǎn)生誘發(fā)空化的負(fù)壓,且流速一般較下接段小,故挑坎適當(dāng)向下游布置較為合理.出現(xiàn)散水,若為明流,水流會逸出,引發(fā)霧化,且需加高邊墻,若為無壓洞,散水會沖擊洞頂,引起襯砌振動,甚至引起“封洞”現(xiàn)象.故應(yīng)避免散水的出現(xiàn).目前對摻氣挑坎含空腔流場的研究,常采用的計算方法主要分3種:拋射體公式【1】、因次分析經(jīng)驗公式【2】和按勢流理論進行數(shù)值模擬【3】.經(jīng)驗公式針對性強,但通用性不夠;勢流數(shù)值模擬將水流假設(shè)為勢流,由于帶空腔射流一般為二相流且紊流邊界層已對其造成影響,故該方法計算精度值得商榷;采用拋射體公式及其修正公式取得了相對較精確的計算結(jié)果,但仍需依對象修正計算參數(shù),仍具經(jīng)驗性質(zhì).且上述諸方法均未涉及到曲面上設(shè)挑坎的情況,鑒于此,本文應(yīng)用k-ε兩方程紊流模型,對不同位置摻氣挑坎的渥奇面流場進行了模擬,建立了經(jīng)驗證合理的通用二維數(shù)學(xué)模型,并結(jié)合試驗資料,解釋了挑坎布于渥奇段下游能顯著改善流態(tài)這一現(xiàn)象,該結(jié)論對設(shè)計中初選摻氣挑坎的位置有指導(dǎo)意義.1數(shù)學(xué)模型1.1u3000dk方程考慮該問題為不可壓縮水流流動問題,采用標(biāo)準(zhǔn)k～ε紊流模型控制方程【4-8】如下.連續(xù)性方程?ui?xi=0,?ui?xi=0,動量方程DuiDxi=fi??p?xi+??yi[(ν+νt)(?ui?xj+?ui?xi)],DuiDxi=fi-?p?xi+??yi[(ν+νt)(?ui?xj+?ui?xi)],k方程DkDt=??xi[(ν+νtσk)?k?xi]+Gk?ε,DkDt=??xi[(ν+νtσk)?k?xi]+Gk-ε,ε方程DεDt=??xi[(ν+νtσε)?ε?xi]+G1εεkGk?G2εε2k,DεDt=??xi[(ν+νtσε)?ε?xi]+G1εεkGk-G2εε2k,式中t為時間;ui和xi分別為速度分量和坐標(biāo)分量;v為運動粘性系數(shù);p為修正壓力;fi為質(zhì)量力;vt=cuk2/ε為紊動粘性系數(shù);方程中的經(jīng)驗常數(shù)cu=0.09,σk=1.0,σε=1.33,C1ε=1.44,C2ε=1.42,Gk為平均速度梯度引起的紊動能產(chǎn)生項.Gk=νt[?ui?xj(?ui?xj+?uj?xi)].Gk=νt[?ui?xj(?ui?xj+?uj?xi)].1.2坡段選坎的確定本模型計算對象為某工程泄洪洞明流段的渥奇面(圖2),該段上接縱向底坡i=2%的明槽,下接坡度i=0.37的斜坡段,原型明槽寬7.0m,渥奇曲線方程y=0.02x+0.004x2.其體型見圖2.摻氣挑坎長3m,高0.3m,坡比1∶10,共進行了兩個位置的比較計算,方案1挑坎末端位于渥奇面中部,樁號為0+659.802m.方案2摻氣坎位置設(shè)在渥奇面后半段,挑坎末端樁號為0+672.162,對應(yīng)的設(shè)計流量均為Q=801.05m3/s.1.3網(wǎng)格劃分和邊界條件采用VOF方法來跟蹤水氣自由面,圖3給出了計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分,生成盡量與水流方向一致的網(wǎng)格,從而避免產(chǎn)生假擴散現(xiàn)象,并減少出現(xiàn)水面線突變,一階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)的情況.將計算區(qū)域劃分為4邊形平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,為獲得精確數(shù)據(jù)觀察流場特性,應(yīng)遵循水氣交界面和關(guān)鍵部位的網(wǎng)格密的原則,且由于計算區(qū)域較小,則對整個計算區(qū)域采用較密的網(wǎng)格劃分,并對近壁區(qū)尤其是挑坎段進行局部網(wǎng)格細(xì)化.采用有限體積法進行控制方程組離散,速度壓力耦合采用PISO算法.欠松弛迭代求解.為了了解挑坎對渥奇面流場的影響,計算時采用了流速進口邊界,壓力出口邊界.對于挑坎,其背水面為空氣壓力進口邊界.2綜合計算和評價的差異2.1方案1的計算結(jié)果與測試結(jié)果的比較2.1.1結(jié)果分析和討論從計算結(jié)果可以看出,計算與實測水面線吻合良好,說明用VOF法計算該模型水面線完全合理,但該試驗實測空腔長度為25m,計算的空腔長度為28.1m,計算值略大,產(chǎn)生計算誤差的原因是采用了二維模型,沒有考慮水流橫向紊動,即忽略了橫向能量耗散和側(cè)壁的影響,故計算值略偏大,由于偏差不大,仍可為設(shè)計初選體型提供了參考(見圖4).2.1.2出口流速分布計算中按流速進口邊界控制,理論上越往下游流速的計算誤差越大.這里只對出口處流速分布的計算值與試驗值進行了比較,即0+699.802斷面的計算流速分布與實測流速分布,見圖5.從圖5可以看出,出口處流速計算值與實測值基本一致,可見,該模型計算的流速資料有較高的精度.2.22號方案的計算結(jié)果與測試結(jié)果的比較2.2.1突變斷面計算結(jié)果方案一摻氣挑坎距進口較近,計算時在渥奇段前又加了19m的緩坡計算段,以消除邊界突變對計算的影響.由于本方案摻氣坎在渥奇段下游,距進口較遠(yuǎn),可直接以渥奇面起始斷面為進口進行計算.水面線和空腔計算結(jié)果見圖7.從圖7可以看出,水面線計算值與實測值吻合較好.計算空腔長度為18.86m,實測空腔長度為19.1m,2者基本一致.2.2.2數(shù)值偏差分析渥奇段出口(0+699.802)斷面流速分布的計算值與實測值比較見圖8.可見,計算值與試驗值比較一致,可較好地模擬實際.但同時計算值也存在一定的偏差,筆者認(rèn)為主要是由于采用二維模型進行計算,從而忽視了水流在空間中的橫向紊動發(fā)展所造成(見圖9).另外還有方程的離散格式與算法的選擇以及壁面函數(shù)處理粘性底層均可成為偏差因素,在今后的計算中應(yīng)在這些方面進行一些改進.2.3這兩種方案計算了壓力損失和測量壓力的比較這里對照了兩方案渥奇面上的計算壓強與實測壓強,結(jié)果見圖10,可見計算壓強與實測壓強較吻合.2.4相對坡比和坎后流態(tài)變化試驗中觀測到方案1散水現(xiàn)象嚴(yán)重,而方案2流態(tài)較好.筆者還進行了將挑坎設(shè)在渥奇面進口處的試驗,發(fā)現(xiàn)散水顯著,也不能滿足工程要求.可見摻氣設(shè)施靠上游布置,散水現(xiàn)象就會出現(xiàn),若不改變摻氣坎體型,將其布于渥奇面下游則會減弱散水現(xiàn)象.摻氣坎下游水流表面散水除與其在渥奇段位置有關(guān)外,主要與挑坎體型和挑流流速有關(guān),水流挑起越高,挑流流速越大,則與空氣摻雜越充分,水流連續(xù)性也就越差,因水氣二相流較水流密度小,表面張力也小,且流動邊界突變紊動加劇,故挑流的表面摻氣水流很容易逸出,形成散水.渥奇面上設(shè)直坡?lián)綒饪?由凸曲線(凸向外緣)邊界突變?yōu)橹本€邊界,水流則會順著摻氣坎面因慣性挑出,這里將挑坎坡比與挑坎起點的曲率乘積比值定義為相對坡比,實際上相對坡比為一流動邊界變化指數(shù),其值越大代表邊界過渡越劇烈.相同水力條件下,相對坡比越大則挑流現(xiàn)象越明顯.對于一般渥奇段,上游曲率大,若設(shè)同坡比摻氣挑坎,則越上游相對坡比越大,若其上流速變化不劇烈,一般越上游挑流程度越嚴(yán)重.這在計算結(jié)果圖4和圖7可以看出,方案1的水面在渥奇段下游明顯高于方案2,在0+669.802樁號高出0.4m,比較見表1,可見挑流與散水相對應(yīng).試驗和計算結(jié)果還顯示了挑坎設(shè)于渥奇段中部空腔長度大于設(shè)于下游的情況,一般認(rèn)為流速大的斷面摻氣空腔也長,但這里恰好相反,原因與散水現(xiàn)象對應(yīng),主要是挑坎引起的邊界條件變化的影響.此外空腔還與坎后的流壁體型有關(guān),挑流一般成拋物線回落,若坎后接如圖2中類型的拋物線邊界,則挑流相對于與坎底相切的直線邊界需更遠(yuǎn)的距離才相交,也就是說坎后流壁凸曲線的曲率越大,坎后渥奇段越長,水流與未設(shè)坎相比偏離越嚴(yán)重,摻氣空腔也就越長.方案2中,挑坎后接部分較短的曲率渥奇段和較長的直坡段,雖然流速較方案1略大,但挑流沒有方案1嚴(yán)重.可見,相同水力條件下,相對坡比和坎后渥奇面體型決定了空腔形態(tài).同樣的通氣孔尺寸下,是否空腔長度長摻氣效果就好呢?通過采用中國水科院研制的CQ6-2005型摻氣濃度儀及微型傳感器對反弧段水流進行摻氣濃度測量(見表2),發(fā)現(xiàn)方案2雖然空腔較短,但摻氣濃度卻大于方案1,原因是方案2摻氣坎處水流流速較大,能卷入較多的空氣,且挑坎距需要保護的部位(如反弧段)近,能將大部分摻雜的氣體輸移到位,而方案1摻氣輸移距離較長,在輸移過程中,可能使部分摻氣紊動逸出.從這個方面而言,摻氣挑坎布置在下游優(yōu)于布置在上游.所存在的問題是挑坎設(shè)于下游會減少保護范圍,但減少的部分均為渥奇段,一般渥奇段設(shè)計合理,且流速不大的話不需要保護,可見挑坎向下游布置合理.但應(yīng)在流態(tài)滿足要求的基礎(chǔ)上挑坎盡量向上游設(shè)置,以便提供更長的保護范圍,加強安全儲備,降低更大范圍的施工不平整度控制標(biāo)準(zhǔn).3未來摻氣挑坎高度方案設(shè)計本文應(yīng)用k～ε兩方程模型對有摻氣設(shè)施的渥奇面流場進行了求解,并將模擬結(jié)果用試驗資料進行了驗證,發(fā)現(xiàn)該模型可以較精確的模擬渥奇面過流的各項水力要素.說明該模型可用于設(shè)計中摻氣挑坎體型的初選,并可用于渥奇面上摻氣挑坎形成的空腔長度的計算.該數(shù)學(xué)模型解釋了相同體型挑坎不同位置流態(tài)差別顯著的