，　，

(1. 北方民族大學 土木工程學院，銀川　750021；2.長江科學院 工程安全與災害防治研究所，武漢　430010；3. 浙江海洋大學 港航學院，浙江 舟山　316022)

1　研究背景

孔板與洞塞具有相似的消能機理。很早以前孔板用于管道流量測量[1]。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，孔板和洞塞被應用到泄洪洞消能。隨著高壩建設(shè)的發(fā)展，“深峽谷、高水頭、大流量、多泥沙”的特點更為突出。以溪洛渡水電站為代表的泄洪能量達到世界之最，泄洪消能成為高壩建設(shè)最關(guān)鍵技術(shù)問題之一。因地制宜將導流洞改建成永久泄洪洞，在泄洪洞內(nèi)安裝多級洞塞或孔板進行合理消能，具有經(jīng)濟、布置簡單和消能效率高的特點[2]。洞塞體型多種多樣，具體的洞塞體型見圖1,其中D為泄洪洞直徑，d為洞塞直徑，T為洞塞厚度。順直洞塞是最基本的體型，其他體型的洞塞都是在順直洞塞的基礎(chǔ)上演變而來。

圖1　洞塞體型Fig.1　 Patterns of plug

從圖1(a)可以看出，在洞塞泄洪洞內(nèi)，水流通過突縮突擴來消散能量，水流在洞塞后部必須經(jīng)過一段距離才能恢復正常。已有的研究文獻[3-7]表明，洞塞后部的水流大約經(jīng)歷3D的距離，水流流態(tài)基本恢復正常。單級洞塞的水流恢復長度，完全可以作為多級洞塞間距設(shè)計的依據(jù)。但事實上，對于有些消能要求較高的水電工程，單級洞塞不一定能滿足工程標準，此時就可考慮采用多級洞塞去消能。但是，這里也存在一個問題，那就是多級洞塞泄洪洞中，上下級洞塞之間會產(chǎn)生相互影響，洞塞間距取3D是否合理，這一問題還值得深入探討?？v觀國內(nèi)外相關(guān)文獻，對這一問題研究很少，這不利于多級洞塞泄洪洞的設(shè)計。本文旨在針對最基本的順直洞塞，研究多級洞塞中洞塞與洞塞之間的合理間距問題。

2　研究思路

為了確定合理的多級洞塞間距，本文采用數(shù)值模擬試算法。具體步驟是：設(shè)計2級洞塞，計算各級洞塞的能量損失系數(shù)，將計算結(jié)果與其對應的單級洞塞消能系數(shù)進行對比。如果對比結(jié)果有出入，則逐漸加大2級洞塞之間的間距，再次重復計算，直到對比結(jié)果相近，則認為此時的2級洞塞之間的間距是洞塞設(shè)計的合理間距。按照文獻[8]提供的公式計算洞塞能量損失系數(shù)，即

ξ=0.36(d/D)-5.7。

(1)

式中：ξ為洞塞的能量損失系數(shù)；d/D為孔徑比，本文所計算的上下級洞塞的孔徑比均相同。

3　計算模型及計算條件

數(shù)值模擬采用FLUENT軟件，計算模型為RNGk-ε模型。RNGk-ε模型相關(guān)控制方程如下[9-11]。

(1)質(zhì)量守恒方程(連續(xù)方程)：

(2)

(2)動量守恒方程：

i=1, 2 。

(3)

(3)k-方程：

(4)

(4)ε-方程：

i=1, 2 。

(5)

式(2)—式(5)中：xi=x,y分別表示軸向和徑向方向的坐標；ui=ux，uy分別表示軸向和徑向方向的水流流速；ρ表示水流的密度；p表示壓強；ν表示水流的運動黏度；νt表示渦黏度，νt=Cμ(k2/ε)，k表示紊動能，ε表示紊動能耗散率，Cμ=0.085。其他參數(shù)的取值如下：

計算的邊界條件有入流邊界、出流邊界、對稱軸邊界和壁面邊界。各邊界條件按照以下方法處理。

(1)入流邊界條件有入流平均流速、湍流動能分布、湍流動能耗散率分布，其數(shù)學表達式分別為：uin=u0；k=0.014 4u02；ε=k1.5/0.5R，其中，u0為泄洪洞入口平均流速；R為泄洪洞半徑。

(2)出流邊界處理方法：假定出流充分發(fā)展。

(3)對稱軸邊界處理方法：假定徑向速度為0，且各變量沿徑向的梯度均為0。

(4)壁面邊界處理方法：邊界層流中采用無滑移假定，即壁面邊界的速度與邊界節(jié)點速度分量都相等。

圖2　洞塞泄洪洞坐標軸Fig.2　Coordinate systemof plug energy dissipater

由于洞塞或孔板泄洪洞一般均水平放置，重力對其水力學特性的影響不大，因此可忽略。本文所考慮的洞塞泄洪洞為水平放置，忽略重力的影響。洞塞水流數(shù)值模擬的坐標軸如圖2所示。由于洞塞泄洪洞水平放置且具有嚴格的三維軸對稱性，因此過洞塞泄洪洞任一軸線的平面水流特性都相同，故洞塞的三維數(shù)值模擬問題完全可以簡化成軸面二維數(shù)值模擬。本文計算了圖2中的xz軸面二維泄洪洞平面的水流特性，以xz軸面二維泄洪洞平面的水流特性來代表整過洞塞泄洪洞各個平面的水流特性。前人的研究成果[6-8]表明，當雷諾數(shù)>105時，雷諾數(shù)對回流區(qū)長度、能量損失系數(shù)幾乎沒什么影響。本文計算選擇的泄洪洞直徑是0.21 m，計算流速為1 m/s，計算時的雷諾數(shù)均>105。

4　計算成果分析

計算結(jié)果如表1所示。表1中DL是上下級洞塞之間的間距，ξ是按照式(1)計算得出的洞塞能量損失系數(shù)，ξ1是數(shù)值計算得出的第2級洞塞能量損失系數(shù)。模擬結(jié)果顯示，孔板間距從5.0D變化到5.7D，第1級洞塞均能發(fā)揮其消能功能。表1計算得出的是當間距不同時第2級洞塞消能效果。

表1　計算結(jié)果Table 1　Computation results

從表1可以看出：

(1)在多級洞塞中，洞塞間距受到孔徑比的影響，孔徑比越大，上下級洞塞之間需要的間距也越大，否則第2級洞塞不能充分發(fā)揮其消能功能。例如，當上下級洞塞之間的間距是5D，如果兩級洞塞的孔徑比均是0.4，則第2級洞塞只能發(fā)揮其62%的消能功能；如果兩級洞塞的孔徑比均為0.8，則第2級洞塞只能發(fā)揮其91%的消能功能。如果上下級洞塞間距過小，對下級洞塞的消能功能發(fā)揮影響較大。

(2)當上下級洞塞間距達到5.7D以上時，對于孔徑比在0.4～0.8之間的洞塞，兩級洞塞均能充分發(fā)揮各自的消能功能。當然，洞塞間距也不能安排得過大，如果過大會增加工程造價。因此，當孔徑比在0.4～0.8之間時，上下級洞塞之間的間距安排在(5.4～5.7)D左右是合理的。

(3)在多級洞塞中，各級洞塞水流的恢復長度均比3D要大，這主要是上下級洞塞之間的干擾所造成的。

5　結(jié)　論

通過數(shù)值模擬方法，研究了兩級洞塞的合理間距，研究結(jié)果表明，當孔徑比d/D在0.4～0.8范圍內(nèi)，且上下級洞塞間距達到5.7D以上時，各級洞塞均能較好發(fā)揮各自的消能功能，在實際工程中，上下級洞塞之間的間距安排在5.7D左右是合理的。

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