1、低水头枢纽消力墩位置对消能效果的影响张宇;刘晓平;苏天宇;罗鹏飞;叶玉康【摘 要】低水头枢纽通常采用消力池底流消能的方式来消减泄水闸下泄水流的能 量,而消力墩的位置对水跃的形式、强弱影响较大,从而影响整个消力池的消能率.采 用计算流体力学软件Fluent的VOF模型，探讨消力墩位置对消力池内水跃特征、 湍动能耗散率分布及消能率的影响.结果表明:消力墩位置会影响消力池消能率 消力墩布置在消力池长度的 0.65 及以上时,其消能效果与不布置消力墩时相差不大; 消力墩布置在消力池长度的 0.35 处时,消力池的消能率最大,比布置在0.65 时消能 率提高约 10.5.期刊名称】水运工程年(卷),期】
2、2016(000)005【总页数】4页(P88-91)【关键词】消力池;消力墩;消能率;VOF【作 者】 张宇;刘晓平;苏天宇;罗鹏飞;叶玉康【作者单位】 长沙理工大学,湖南长沙 410076;长沙理工大学,湖南长沙 410076;长 沙理工大学,湖南长沙 410076;长沙理工大学,湖南长沙410076;长沙理工大学,湖南 长沙 410076【正文语种】 中 文中图分类】 TV653.1;U64我国已建成或在建的水利工程中，低水头中小型水利工程占绝大多数，并且其泄水 闸大多采用消力池作为消能设施1。而低水头泄水闸消能率普遍较低，常通过增 设辅助消能工来提高泄水闸消能率2，消力墩就是消力池中重
3、要的辅助消能工之 一。在有限的条件下如何提高泄水闸消能率是值得探讨的问题。本文通过流体软件 Fluent 中 VOF 模块建立二维数学模型，分析消力墩位置对消力池消能效果的影响， 为消力池的设计提供参考。1.1 模型概化以湘江长沙综合枢纽泄水闸为研究背景，建立如图1a)所示的二维模型。其中消力 池长度为26 m，弧形闸门开度取1.43 m，消力墩为梯形墩，高2.5 m、顶宽 0.48 m，底宽3 m ;计算域长125 m，宽20 m。1.2 模型边界条件和计算方法RNG k吒模型中方程的常数不是用实验方法确定的，而是由理论推导得出的；其 通过修正紊流粘性系数，考虑了平均流动中的漩流流动和旋转情
4、况的影响;并且 RNG k吒模型能较好地模拟各向异性的高速射流和流线弯曲程度较大及高应变率 的流动。VOF模型根据各个时刻流体在网格单元中所占体积函数F构造和追踪自 由面，若在某时刻网格单元中F=1,则说明该单元全部为指定相流体所占据，为 流体单元；若F=0,则该单元全部为另一相流体所占据，相对于前相流体则称为空 单元；当0vFv1时，该单元为包含两相物质的交界面单元3。SIMPLEC是在 SIMPLE 算法的基础上对速度修正方程中的系数计算公式进行改进，加快了计算的 收敛速度，而且得到的压力修正值也更加合适。很多学者采用以上的模型和算法做 了水跃方面的数值，其计算结果与物理模型试验基本吻合，
5、如：袁新明4采用k吒 紊流模式和体积率(VO F)跟踪自由水面的方法，模拟了闸后水跃的水流结构，其结 果与试验资料基本吻合；戴会超5采用SIMPLEC算法结合VOF方法模拟淹没水 跃的大尺度紊流结构及其微观结构，其结果与物模吻合较好。本文流场计算采用RNG k吒湍流模型，自由液面采用VOF方法进行捕捉，压力速 度耦合方式采用SIMPLEC算法。空气入口采用压力入口，入口压力为一个标准大 气压；水流入口采用速度入口，模拟水流速度为0.8 ms ；出口为压力出口；上游 水位为29.94 m，下游水位为22.89 m，每个工况实际计算水位略有差别。折线 堰和消力池采用粗糙的混凝土护面，糙率取0.01
6、7 ，海漫考虑采用长沙枢纽天然河 床的糙率，取0.025。计算域大部分区域采用基本均匀的网格密度，对主要研究的 消力池等区域进行加密处理，区域之间网格平滑过渡，同时为减少网格数量，选择 曲边四边形与三角形相结合的混合网格。闸门的开度、消力墩自身的体型尺寸、位置及阻塞比等都会影响消力池的消能效果， 本文主要分析不同消力墩位置时泄水闸泄水消能情况。选择的计算工况见表1。2.1 水跃特征 水跃是明槽水流从急流状态过渡到缓流状态时水面突然跃起的局部水力现象。水跃 区的水流可以分为两部分：上部不断翻腾旋滚，因掺入空气而呈白色，下部是主流， 是流速急剧变化的区域。这两部分的交界面上流速梯度很大，液体质点不
7、断地穿越 交界面进行交换，紊动、摩擦混掺强烈，消耗大量动能，因此底流消能实质上就是 水跃消能。利用Fluent对各个工况建立数学模型并进行数值计算，其计算如图2所示。水流 与消力墩碰撞产生强迫自由水跃，在消力墩后发生剧烈旋滚，于水跃末端破碎。如 图3所示，水跃表面水流流速较大，水跃内部的竖向环流流速较小；在水跃顶部 有少量水流逆流而下。不设消力墩时，水跃部位在消力池尾槛处，属于远驱水跃。消力墩位置在0.25L 0.45L时，急速水流碰撞消力墩，发生强迫水跃，结束后与尾槛碰撞出现第二次水 跃，并且消力墩位置从0.25L增大到0.45L，两个水跃间间距变小。而当消力墩位 置处于0.55L0.65L
8、时，强迫水跃末端处于尾槛上，不再与尾槛碰撞发生水跃，全程只发生一次水跃。2.2 消能率 消能率是衡量消能工的消能效率的重要指标。为了分析消力墩位置改变对它的影响， 本文根据水流的能量方程，结合数学模型计算结果进行计算和分析。取闸前1-1 断面和尾槛即消力池末端2-2断面（图4），按以下方法进行消能率计算和分析： 式中：E1、E2分别为断面1-1和断面2-2处断面能量；Z1、Z2分别为断面1-1 和断面2-2处水面高程；a1、a2分别为断面1-1和断面2-2处水流的动能修正 系数（本文a1、a2均取1.0） ;v1、v2分别为断面1-1和断面2-2处水流平均流 速,AEE1为消能率。各种工况下消
9、力池消能率计算结果见表2。不设置消力墩和消力墩布置在0.6L处 消力池消能率非常接近（分别为43.6%和43.8%），说明消力墩布置在0.65L及以上 时，其对消力池消能效果影响很小；消力墩位置在0.25L0.45L之间时，水流从 泄水闸出来会发生2次水跃，其消力池消能效果较其他3种工况好；其中0.35L 时，尾槛断面水深最小，消力池消能率最大为48.4%。2.3 湍动能耗散率 前两节从水跃特征及理论计算角度分析消力墩位置对泄水闸消能效果的影响。下面 从湍动能耗散率的角度分析其对消能效果影响的机理。根据水流的状态将整个消能 过程分为a、b、c、d 4个区域分别进行分析（图5）。其中0.25L和
10、0.35L均存在 4个区域的消能，而0.65L时，只存在a区和b区；并且对于a区，三者湍动能 耗散率分布类似：较大值（4.0）均分在X坐标为30 37范围内，其中0.35L最大 值为7.5 , 0.65L最大值为7.0,相差不大；而其他区域湍动能耗散率均处0.5 2.5之间,0.65L该区域范围较另外二者大一些。b区湍动能耗散率分布呈现“n” 字形，水跃内部湍动能耗散率基本为0,而外围较大，并且“n”字形右侧水跃破 碎区域湍动能耗散率明显大于左侧水跃起始区域。0.25L、0.35L和0.65L的左侧区域湍动能耗散率分布基本一致，右侧水跃破碎区域0.65L最大湍动能耗散率为6.0比0.25L和0
11、35L的4.5大了 1.5。综上可知，0.65L的消能效果明显不及 0.25L和0.35L。消力墩在0.25L时，其距离泄水闸过近，不利于底流的充分发展， a区湍动能耗散率小于0.35L，c区和d区亦是如此；消力墩位置后移至0.45L，c 区底流还未完全形成就与尾槛发生碰撞，c区和d区湍动能耗散率小于0.35L ;继 续后移至0.65L，c区和d区消失，整个消力池效能效果更差，所以从湍动能耗散 率角度分析建议消力墩布置在0.35L左右。1）消力墩能够使消力池发生强迫水跃，改变水流结构，增大消力池内湍动能耗散率， 增大消能率。2）消力墩位置会影响消力池消能率：消力墩布置在消力池长度的0.65及以上时， 其消能效果与不布置消力墩时相差不大；消力墩布置在消力池长度的0.35处时， 消力池的消能率最大，比布置在0.65时消能率提高约10.5%。
