淹没型旋流竖井泄洪洞流态过渡的数值模拟研究_栗帅

［9 － 12 ］
由 Hirt 等
［14 ］
1
紊流数学模型及方程
Shih 等
［13 ］
提出的 Ｒealizable k － ε 模型是在紊 动黏度计算公式中引入了旋转和曲率， 提高了对较 大曲率流动、 旋流流动和涡旋运动的计算精度 ， 适用
第4 期
栗
帅， 等： 淹没型旋流竖井泄洪洞流态过渡的数值模拟研究
Numerical Stimulation of Transition Flow Pattern in a Vortex Shaft with Submerged Outlet
LI Shuai1 ， ZHANG Jianmin1 ， HU Xiaoyu2* ， LI Junning1 ， HE Xiaolong1
Abstract： One of the key technical problems of flood discharge tunnel with spiral flow shaft is gas burst being prone to occur at the outas the discharging tunnel is difficult exhaust under the condition of high tail water level． For this regard， numerical simulation was let， conducted and combined with a tunnel project to study a novel type of vortex shaft in a flood discharge tunnel with submerged outlet． Flow pattern features， pressure distribution and other characteristics of this flow were obtained and they agreed well with the experimental results． The conversion mechanism of strong aerated turbulent flow to pressure flow and its influence on structure were discussed． the horizontal section can be divided into a mixing and energy dissipation area which is the main disinfection enＲesearch showed that， ergy， an air bubble escaping area， an air discharge zone， and a smooth flow zone． In the condition of submerged outlet， the air escapes successfully，the flow pattern converts smoothly along the tunnel，and the bottom pressure is distributed reasonably． This research can be a reference for similar projects． Key words： vortex shaft with submerged outlet； flow pattern conversion； turbulence model； hydraulic characteristic
（ 16 m × 15． 38 m， 顶高 4． 62 m） ； 在 x = 131 m 处设置 梯形坎， 高 3 m， 顶宽 3 m， 底面宽 6 m； x = 161 m 处设 置排气洞， 内径为 3 m； x = 183 m 处设置有压坡， 高5 m， 孔口高度为 15 m； 泄洪洞出口处也设置有压坡， 高 8 m， 孔口高度为 12 m。 数值模型原点 O 取竖井中心轴 高于泄洪洞底板 7． 75 m， 与相汇的泄洪洞中轴交点， 竖直向上设定为 z 轴， 沿泄洪洞指向下游方向设定为 x 轴， 垂直于 xOy 平面指向泄洪洞内水流左侧设定为 y 轴方向， 其具体参数如图 2 所示。
质条件。但是， 对于进口采用无压明流， 出口为淹没 出流的导流洞改建高水头、 大流量泄洪洞的工程， 上
收稿日期： 2013 － 12 － 05 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 51279118 ） 作者简介： 栗 mail： li_shuaiscu@ yeah． net 帅（ 1987 —） ， 男， 博士生． 研究方向： 水工水力学． E* 通信联系人 Email： 503066534@ qq． com
其水流基本流态见图 1 （ b ） ， 该技术已在公伯峡 流， ［4 ］ ［5 ］ 工程中应用 ； 3 ） 旋流竖井技术见图 1 （ c ） ， 通常 情况下， 其流道中均为明流， 该技术已在沙牌、 仁宗
［6 ］ 海和狮子坪等工程中得到应用 。第 3 种技术结构 布置灵活、 消能率高， 又能适应复杂的地形地 简单、
3087 （ 2014 ） 04001307 文章编号： 1009-
淹没型旋流竖井泄洪洞流态过渡的数值模拟研究
栗
1 1 2* 1 1 帅， 张建民 ， 胡小禹 ， 李君宁 ， 何小泷
（ 1． 四川大学 水力学与山区河流开发与保护国家重点试验室， 四川 成都 610065 ； 2． 中国水电顾问集团 华东勘察设计研究院， 浙江 杭州 310014 ）
t ε j 1ε
ε ε G － C2ε ρ k k
2
（ 4）
式中： ρ 和 μ 分别为体积分数加权平均的密度和分子 黏性系数； σ k 和 σ ε 分别为 k 和 ε 的紊流普朗特数， σk = 1 ． 0 ， σ ε = 1 ． 2 ； C1τ 和 C2ε 为 ε 方程中的常数， η C1ε = max（ 0 ． 43 ， ）， C2ε = 1 ． 90 ， η 为湍流时间 η +5 Sk S = 槡 2 S ij S ij ， S ij = 尺度与平均应变率之比， η = ， ε 1 ν j ν i k2 （ + ） ； μ t 为紊流黏性系数， C μ t = ρC μ ， 2 x i x j ε μ 为经验系数， 取 C μ = 0 ． 09 。 提出的 VOF 法是一种处理高速水 流掺气且带有自由表面的水流流动的有效方法 ， 其 基本思想是： 定义函数 α w 和 α a 分别代表计算区域内 水和气占计算区域的体积分数 （ 体积的相对比例 ） 。 在 每个单元中， 水 和 气 的 体 积 分 数 之 和 为1 ， 即： αw + αa = 1 ， 水的体积分数 α w 的控制方程为： α w α w + ui = 0 （ 5） t x i t 为时间， u i 和 x i 分别为速度分量和坐标分 式中， 量。 QUICK 对扩散项进行离散， 格式是对迎风格式的一种改进， 具有比迎风差分更高 采用 QUICK 格式 的精度， 可有效地降低假扩散的影响， 又具有比中心 差分更好的对流稳定性。采用 PISO（ pressure implicit
导流洞改建为永久泄洪建筑物时常采用的内流 消能工主要有 3 种方式： 1 ） 洞塞 （ 孔板 ） 技术， 其进 流方式为有压流， 同时泄洪洞出口具有一定的淹没 度， 其水流基本流态见图 1 （ a ） ， 多级孔板技术已在
［1 ］ 洞塞技术也在猴子岩和 黄河小浪底工程中应用 ， ［2 － 3 ］ ； 2 ） 水平旋流技术， 泸定设计中采用 其进流方式 为明流， 中间为有压流消能段， 泄洪洞出口也为明
第 46 卷 第 4 期 2014 年 7 月
四川大学学报（ 工程科学版）
JOUＲNAL OF SICHUAN UNIVEＲSITY （ ENGINEEＲING SCIENCE EDITION）
Vol． 46 No． 4 July 2014

[
(
) ] + ρg
i
（ 2）
（ ρ u i k ） （ ρ k ） + = t x i u i u j （ μ + μt ） + x i x j x i ε 方程：
[
(
) ] + ρg
i
（ 3）
（ ρ u i ε ） （ ρε） = + t x i x j μ ε [(μ + σ ) x ] + C
［ 15 ］
图1 Fig． 1
3 种主要内流消能工示意图
Three main interior energy dissipaters
为解决下游高水位条件下导流洞改建为旋流竖 ［7 ］ 井式泄洪洞的难题， 孙双科等 提出采用竖向压板 技术优化洞内流态， 并以多孔平板技术解决导流洞 ［8 ］ 。 出口的排气问题 张建民等 通过在泄洪洞 （ 原导 流洞） 底部合适位置上设置挡坎、 顶部设置排气孔 和压坡等技术手段， 来优化水流流态。但是， 这种泄 洪洞内水流流态转换和过渡的详细过程尚待研究 ， ， 为此， 结合前人累积的经验 作者采用 VOF 法 和 Ｒealizable k － ε 双方程紊流数学模型首次对淹没 型旋流竖井泄洪洞中水流流态的过渡过程进行了数 值模拟。
于有旋均匀剪切流、 包含有射流和混合流的自由流、 边界层流动、 管道流动等复杂的流动。 1． 1 基本方程 连续方程： ρ ρ u i + = 0 t x i 动量方程： ρ u i + （ ρu i u j ） = t x j p u i u j － + （ μ + μt ） + x i x j x i x i k 方程： （ 1）
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with splitting of operators） 算法［16］来求解离散方程中 PISO 算法是对 SIMPLE 算法的一种 速度与压力的耦， 改进， 它收敛性好且可以减少迭代次数。 1． 2 基本体型及参数 作者结合某双涡室掺气型旋流竖井工程试验的 涡室直径均为 D = 18 m， 竖井直径 d = 12 m， 体型， 高度 h = 161 m。 竖井与泄洪洞下水平段采用直接连 接型式， 竖井为无压垂直出口， 泄洪洞进流为垂直淹 没射流， 取消传统的消力井， 泄洪洞为城门洞型