涂建翔

(江西省余干縣水利局，江西 余干 335100)

本研究重點探究泄洪洞腔道水平渦流段至塞阻均勻段的渦流特性。分別基于側(cè)水位、自由流出和淹沒流出這三種工況下，充分考慮流動速率、渦流角等重要水力因素，利用構(gòu)建的水工模型對泄洪洞腔道渦流特性進行實驗?zāi)M，旨在通過全過程的腔道渦流特性分析，為渦流洞體優(yōu)化布局設(shè)計進一步提供技術(shù)依據(jù)。

1 計算域網(wǎng)絡(luò)模型

本模型實驗系統(tǒng)主要由8部分構(gòu)成，最主要的包括蓄水池、上游側(cè)水體庫、回水渠、循環(huán)供水系統(tǒng)等。綜合分析基礎(chǔ)上，本研究決定采用復(fù)合網(wǎng)絡(luò)完成模型劃分工作。

計算域網(wǎng)絡(luò)劃分如圖1(a)所示，計算域以起旋器進口為起點，以退水洞出口為終點。起旋器非構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)劃分如圖1(b)所示，各計算域均采用構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)劃分，但起旋器除外，同時對水平渦流洞段實施了網(wǎng)絡(luò)加密(見圖1(c))。

圖1 計算域網(wǎng)絡(luò)模型

由于起旋器進口處流水一直保持穩(wěn)定狀態(tài)，而且水流流動也比較均勻，因此將流動速率入口定義為進口邊界條件；起旋室通氣孔進口為典型的空氣大氣壓進口；排氣孔出口為大氣壓出口；退水洞出口離水平渦流洞段840 m處流水整體相對平穩(wěn)，對研究區(qū)域產(chǎn)生的影響不大，因此將其作為模型的出口邊界，設(shè)置為壓力出口邊界，定義為明渠流動狀態(tài)，給出出口水位高度。數(shù)值模擬所設(shè)定的邊界條件見表1具體所示。

表1 數(shù)值模擬所設(shè)定的邊界條件

2 主要參數(shù)和工況

表2 模擬實驗主要物理量比尺一覽

表3 實驗工況及主要參數(shù)

3 泄洪洞腔道渦流特性分析

3.1 關(guān)于腔道直徑的分析

腔道直徑實際展示效果見圖2所示，空氣在起旋器內(nèi)與流水混合，構(gòu)成腔道旋轉(zhuǎn)流水，之后順著渦流洞呈空氣柱。

圖2 腔道直徑分布狀態(tài)

對圖3及表4中的數(shù)據(jù)信息進行全面分析后發(fā)現(xiàn)，自由流動狀態(tài)下，渦流腔道呈現(xiàn)出明顯先低后大的演變趨勢，在水平洞段末端附近達到了最低值，分別為6.32 m、6.5 m、6.54 m。究其原因在于流水由水平洞段流向塞阻段的過程中，截面面積會慢慢降低，徑向流動速率快速増加，切向流動速率則驟然降低，由此一來，不僅引發(fā)流水旋轉(zhuǎn)的離心力也快速降低，也會造成氣水旋轉(zhuǎn)的互相作用減小，流層厚度明顯增加，進而導(dǎo)致腔道直徑縮小。隨著流水在塞阻段的進一步流動，塞阻截面面積連續(xù)降低，流水流動速率加大，由于快速旋轉(zhuǎn)加大了離心力，減小了腔道壓擠力，腔道直徑逐漸加大，直到塞阻均勻段出口。不同上游側(cè)水位下，計算值與實驗值保持高度一致，其最大值均出現(xiàn)在塞阻均勻段出口，分別為8.9 m、8.58 m、8.7 m，誤差僅為0.34 m，可見測量精度是非常高的。通過表4數(shù)據(jù)分析進一步發(fā)現(xiàn)，在上游側(cè)水位不斷升高的同時，截面腔道直徑則隨之降低，表現(xiàn)出相對平穩(wěn)的波動變化，究其原因在于流腔道為周期性螺旋型氣柱，不同水位下，周期不同，測量同一截面而產(chǎn)生的差異。

圖3 腔道直徑基于自由流出工況的計算值與實驗值對比

對圖4及表5中的數(shù)據(jù)信息進行全面分析后發(fā)現(xiàn)，在淹沒流出工況下，腔道直徑演變趨勢與自由流出情況下非常相近，均呈現(xiàn)出明顯先低后大的演變趨勢，在水平洞段末端附近達到了最低值，分別為6.08 m、6.5 m、6.15 m，其最大值則出現(xiàn)在塞阻均勻段出口，分別為8.6 m、8.7 m、8.04 m，誤差僅為0.48 m，可見測量精度是非常高的。通過表5數(shù)據(jù)分析進一步發(fā)現(xiàn)，在上游側(cè)水位不斷升高的同時，截面腔道直徑則隨之降低，表現(xiàn)出相對平穩(wěn)的波動變化，究其原因在于流腔道為周期性螺旋型氣柱，不同水位下，周期不同，測量同一截面而產(chǎn)生的差異。

表4 腔道直徑基于自由流出工況的計算值與實驗值 m

表5 腔道直徑基于淹沒流工況的計算值與實驗值

3.2 關(guān)于渦流角的分析

圖5及圖6直觀反映了在兩種不同流出工況下截面渦流角的整體演變情況。通過圖數(shù)據(jù)分析得知，在不同的水位情況下，渦流角沿程演變趨勢具有規(guī)律可循。在起旋器內(nèi)(z/D=0～1.1)，達到了最低值，水平渦流洞段渦流角主要在50°～70°區(qū)間內(nèi)變化。在塞阻段進口處(z/D=7.14)，不同上側(cè)水位下，其渦流角分別是58°、59.8°、60°，流入塞阻段后，渦流角急劇縮小，原因是形成了聚縮流水效應(yīng)，不僅流動速率加大，流層厚度減小，而且軸向流動速率也急劇增大。

圖4 腔道直徑基于淹沒岀流工況的計算值與實驗值對比

圖5 典型截面渦流角自由流出條件的計算值與實驗值對比

圖6 典型截面渦流角淹沒岀流條件的計算值與實驗值對比

圖7 典型面渦流角自由流條件演變狀態(tài) 圖8 典型面渦流角淹沒流條件演變狀態(tài)

圖7及圖8直觀反映了在兩種不同岀流工況下截面渦流角的整體演變情況。在橫截面上，臨近壁面和氣水交界面這兩部位的渦流角分別達到了最高值和最小值，而且沿著徑向存在逐步增大的趨勢，由此證實，水層臨近壁面的流動速率快速增大，向下方流動的速度就相應(yīng)加快，而且沿圓心表現(xiàn)出明顯的一側(cè)偏大演變趨勢，在起旋器出口(z/D=1.1)處，渦流角趨近于90°，證明該位置流水仍處于強旋轉(zhuǎn)周期，并未迅速地下向游流動，臨近洞頂一側(cè)則達到了80°，證明此區(qū)域的流水開始向下游流動。在不同水位下，塞阻段均勻段(z/D=9)的演變規(guī)率與其他區(qū)域的表現(xiàn)截然相反，同時呈顯著的非對稱分布趨勢，渦流角在臨近洞壁處達到了最大，基本穩(wěn)定在40°左右， 而在氣水交界面處達到了最低，還不足10°。究其原因在于均勻段的水層即將進入分散擴展段，臨近壁面?zhèn)攘魉x心力更高，外側(cè)流水便沿壁面分散擴展。通過圖數(shù)據(jù)分析還發(fā)現(xiàn)，z/D=2至z/D=8.1的渦流角沿程演變規(guī)律非常相近，渦流角隨著流程增加而表現(xiàn)出明顯的降低之勢。

3.3 關(guān)于紊動能的分析

圖9及圖10直觀反映了在兩種不同岀流工況下紊動能沿程分布的整體變化情況。通過圖數(shù)據(jù)分析進一步發(fā)現(xiàn)，水位演變對腔道渦流沿程紊動能造成的影響非常小，甚至可直接忽略不計，演變規(guī)律也基本一致。均在起旋器出口處紊動能急劇增大，然后在水平洞段跟隨沿程變化而發(fā)生相應(yīng)改變。流水達到塞阻段(x=100m)時，因為洞徑瞬間聚縮，致使流水紊動強烈，所以紊動能就持續(xù)地加大，但到達塞阻均勻段(x=120m)后，由于洞徑不再發(fā)生變化，因此紊動能演變趨向平緩。流水進入分散擴展段后與氣體混摻，紊動能瞬間加大，在淹沒流出工況下，洞頂?shù)奈蓜幽苊黠@增大，而洞底紊動能卻急劇減小，其原因在于洞底存在水層，而洞頂只是輕微的氣水兩相流，所以兩者存在明顯的紊動能差異。

圖9 紊動能自由流條件沿程分布狀態(tài)

圖10 紊動能淹沒流條件沿程分布狀態(tài)

通過圖11數(shù)據(jù)分析進一步發(fā)現(xiàn)，沿流水方向，起旋器端頭周圍紊動能相對較大，之后隨著沿程變化而不斷走低，直至達到塞阻段后，紊動急劇升高，并達到了56 m2/s2最高值。通過圖演變趨勢還發(fā)現(xiàn)，高紊動區(qū)及腔道直徑的演變規(guī)律完全吻合，而且氣體的紊動強度遠大于流水的紊動。由于氣體具有密度小、黏性差等特點，無法把控自身運動狀態(tài)，因此在氣水混摻的區(qū)域發(fā)生強紊動現(xiàn)象。

圖11 紊動能自由流條件193.9m上游側(cè)分布變化云狀態(tài)圖

3.4 關(guān)于耗能率的分析

通過表6數(shù)據(jù)分析可進一步了解到，水平渦流洞段耗能率基本穩(wěn)定在25%上下，塞阻-漸擴式水平渦流泄洪洞耗能率則超過了40%以上，并且相較于自由岀流工況，淹沒岀流工況的耗能率更大一些。根據(jù)文獻得知，氣水兩相流耗能率為40%，水平渦流泄洪洞總耗能率達到80%以上，很明顯，這與水電站泄洪耗能要求相符。

表6 耗能率工況差異條件下的數(shù)值計算結(jié)果

4 結(jié)語

本研究基于側(cè)水位、自由流出和淹沒流出三種工況，對泄洪洞腔道渦流特性實驗測量和數(shù)值模擬計算成果進行專題比對分析，通過水力特性分析得出以下幾個重要結(jié)論：

(1)不同工況下，腔道直徑呈現(xiàn)出先降低后加大的演變趨勢，而且在塞阻均勻段出口達到了最大。當上游側(cè)水位不斷升高時，截面腔道直徑卻隨之大幅降低。

(2)渦流角在水平洞段表現(xiàn)出明顯的波動特性，但抵達塞阻段后就陸續(xù)降低。渦流角在臨近洞壁處達到了最大，基本穩(wěn)定在40°左右， 而在氣水交界面處達到了最低，還不足10°。

(3)沿流水方向，起旋器端頭周圍紊動能相對較大，之后隨著沿程變化而不斷走低，直至達到塞阻段后，紊動急劇升高，并達到了56 m2/s2最高值。