高坝明流泄洪洞掺气减蚀三维数值模拟分析

高坝明流泄洪洞的掺气减蚀问题倍受关注。以溪洛渡水电站3#泄洪洞为研究对象,结合大比尺单体模型试验成果,应用分段计算方法对泄洪洞掺气减蚀问题进行了三维紊流数值模拟分析。结果表明:泄洪洞各道掺气坎布置合理且有稳定掺气空腔,掺气坎体型基本合理,明流段洞顶余幅足够。泄洪洞反弧段及末端一段区域水力特性复杂,应重点关注此部位的设计及施工问题。对于高流速、大梯度泄洪洞水力学问题,采用分段计算能提高计算速度。

泄洪洞反弧连接段水流特性的三维数值分析

利用商用软件FLUENT,对具有自由表面的泄洪洞反弧连接段水流进行了三维数值模拟。采用k-ε湍流模型描述水流的湍流流动,自由表面采用VOF方法处理。详细研究了反弧段速度、压力、壁面剪应力的变化规律及水流的空化特性,分析了不同反弧半径和反弧圆心角对反弧段及其下游水力特性的影响,研究结果对体型优化有指导作用。

反弧段体型对高流速泄洪洞水力特性的影响

利用流体仿真软件FLUENT对高水头明流泄洪洞不同体型反弧段的水流流场进行三维数值模拟,获取了流速、压强、切应力等水流运动参数的沿程分布。结果表明:不同形式的反弧段,沿程水头损失差别很小;反弧段的曲率半径越小,底板压强越大,同时在反弧段始、末断面附近的压强梯度也大;各种类型的反弧段底板剪应力基本呈沿程增大的趋势,但前半部和后半部底板切应力的变化规律不同。综合考虑反弧段流速、底板压强、底板切应力的沿程分布情况,采用下过渡曲线形式的反弧段体型可以减小反弧段与下斜坡段连接部位的压强梯度和切应力,相对于文中提到的其他体型的反弧段,空蚀风险最小。

旋流阻塞泄洪洞内气水两相流流动特性分段数值模拟研究

在水平旋流洞内设置阻塞会形成阻塞空腔旋转水流,可以大大提高其抗空化性能及消能率。但设置阻塞后,旋流洞段为空腔旋流,阻塞扩散段为由空腔旋流转变为高紊动强混掺气水两相流,流动变得十分复杂。该文在模型试验成果的基础上,采用VOF与Mixture多相流模型分段数值模拟的方法,对旋流阻塞复合内消能泄洪洞气水两相流的流动特性进行了研究。结果表明:分段模拟结果与试验值吻合良好,可以实现精确模拟;起旋器与旋流洞段会形成空腔沿程略有减小且气水界面清晰的三维空腔旋流,空化可能性小;阻塞扩散段与退水洞前段由空腔旋流向高紊动强混掺气水两相流转变,呈现出空腔旋流区、气水混掺区和混掺发展区三个流动特征区。气水混掺始于阻塞均匀段,至扩散段末端已较充分;扩散段中上部存在大尺度漩涡,加剧了气水混掺;湍动能沿程在阻塞扩散段与退水洞前段较大,为主要消能区,横断面上则位于气水交界面混掺区域,气水相互作用加剧了水流紊动;在距起旋器起始端头9.2~15.0倍洞径长度范围的阻塞扩散段的中后部,以及退水洞前部洞顶与两侧壁靠上位置,出现了较小负压,水流空化数小,但水流充分掺气可有效减免空化。旋流洞内设置阻塞有助于增压及掺气减蚀以改善空化条件,同时可以加剧水流能量耗散以提升消能效果,使其在高坝泄洪消能中应用前景广阔。