虹吸井和排水口泄流三维数值模拟及堰型优化.pdf

第 3 4卷第 3期 2 0 1 2年 3月 人民黄河 YELL0W RI VER Vo 1 3 4 No 3 Ma r 2 01 2 【 水利水 电工 程 】 虹吸井和排水 口泄流三维数值模拟及堰型优化 高改玉， 张根广 ( 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院， 陕西 杨凌 7 1 2 1 0 0 ) 摘要： 采用 一 s湍流模型封闭R e y n o d s 方程及 V OF法追踪 自由水面， 对南迪普火电厂虹吸井和排水口的排水过程进 行了三维数值模拟。 其结果与模型试验结果吻合良好 ， 表明三维数学模型用于虹吸井和排水口泄流模拟是可行的。在此 基础上， 针对原设计方案虹吸井溢流堰泄流偏于一侧、 流速分布不均匀等缺点， 分析 了迷宫堰取代原方案折型堰后的流 态 ， 经三 维数值模拟验证 ， 迷 宫堰堰 上过 流量及堰后流速 分布基 本均 匀对称 ， 是 一种 较为理想的堰型 。 关键词：三维数值模拟；虹吸井；排水口；k 模型；堰型优化 ；迷宫堰；南迪普火电厂 中图分类号 ： 7 3 2 2 文献标识码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 2 0 3 0 4 9 Thr e e - Di me n s i o na l Nu me r i c a l S i m u l a t i o n o n Di s c ha r g e o f S i ph o n W e l l a nd Ov e r flow a nd Opt i mi z a t i o n f o r W e i r S ha p e GAO Ga i y u，ZHANG G e n g u a n g ( C o l l e g e o f W a te r C o n s e r v a n c y a n d A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g ，N o a h w e s t A & F U n i t e r s i t y ，Y a n g l i n g 7 1 2 1 0 0，C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n t h i s p a p e r 。 k - 6 t u r b u l e n c e mo d e l w a s u s e d t o c l o s e R e y n o d s e q u a t i o n s ， v o l u m e o f fl u i d ( V O F )m e t h o d w a s u s e d t o t r a c k t h e f r e e w a - t e r s u r f a c e，d r a i n a g e p r o c e s s o f s i p h o n we l l a n d o u t f all o f Na n d i p u r P o we r P l a n t wa s s i mu l a t e d i n t h e me t ho d o f t h r e e d i me n s i o n a l n u me ri c a l s imu l a t i o nT h e c alc u l a t e d r e s u l t s s h o w g o o d a g r e e me n t wi t h t h e mo d e l e x p e rime n t a l r e s u l t s ，wh i c h i n d i c a t e s the f e a s i b i l i t y o f t h r e e d i me ns i o n a l n u me ri c al s i mu l a t i o n o n s iph o n we l l a n d o u ff al1 Mo r e o v e r ，i t i s d e mo ns t rat e d f ur t h e r b y u s i n g 3一D n ume r i c al s i mu l a t i o n t h a t t h e d i s c h a r g e o v e r 1 o w f r o m t h e we i r a n d v e l o c i t y d i s t rib u t i o n a f t e r t h e we ir a te mo r e u n i f o r m an d s y mme t r i c al a n d t h e l a b y ri n t h we i r i s a r e l a t i v e i d e al we i r ，b y u s i n g t h e l a b y ri n t h we i r i n s t e a d o f t h e f o l d t y p e we i r u s e d i n t h e o rig i n al d e s i g n，wh i c h l e a d i n g t o i n c l i n a t i o n to t h e s i d e o f t h e o v e r f l o w we i r d i s c h a r g e o f s i p h o n we l l a n d un e v e n d i s t rib u t i o n o f v e l o c i t y Ke y wo r d s：3一 D n u me ric a l s i mu l a t i o n；s ip h o n we l l ；o u ff all ； 一 mod e l ；s h a p e o p t i mi z a t i o n；l y r i n t h we i r ；Na n d i p u r P o we r Sta t i o n 传统的火电厂虹吸井溢流堰一般设计为折型堰 ， 但该堰型 过于简单， 会使过堰水流导向一侧 ， 流速分布不均， 易造成堰后 局部冲刷， 并可能引起虹吸井排水工程整体结构的破坏 ， 增加 工程投资。因此， 对虹吸井溢流堰进行优化， 对火电厂排水工 程的安全运行具有一定的实际意义。为了使排水工程的设计 安全、 合理、 可靠， 通常借助于物理模型试验和数值模拟方法对 泄水建筑物泄流特性进行分析 ， 进而对其体形进行优化。近年 来数值模拟以其便利、 高效的特点在预测水工建筑物流场 中得 到了广泛的应用- - 。其 中魏文礼等 将紊流 ks 模型应用于 三维明流泄洪洞的流场分析中， 采用体坐标变换处理复杂的边 界及模拟自由水面， 获得了满意的结果； 张怀新等 采用有限 体积法通过求解不可压缩的雷诺平均( R A N S ) 方程， 模拟了包 括兴波的三维船体周围的黏性流场； 许栋等 基于雷诺方程和 有限体积法建立 了描述弯道水流运动 的三维数学模型， 采用 V O F法追踪 自由水面， 模拟了弯道内水流的流速分布以及湍流 特征。笔者在模型试验的基础上， 采用标准 k一8方程紊流模 型结合 V O F法追踪自由水面， 通过三维数值模拟， 对南迪普火 电厂4 2 5 MW联合循环电站虹吸井和排水口原设计方案溢流 堰泄流能力、 水面线和流速分布等水力特性进行了分析计算 ， 并针对原设计方案虹吸井溢流堰泄流偏于一侧、 流速分布不均 匀等缺点， 分析了迷宫堰取代原折型堰后的流态。 1 工程概况 南迪普4 2 5 MW 联合循环火电厂位于巴基斯坦拉合尔地 区 U C C ( U p p e r C h e n a b C a n a 1 ) 运河东侧， 即左岸 ， 其冷却水源为 U C C运河地表水， 冷却水系统拟采用直流加再循环供水方式。 直流供水系统冷却水经 D N 2 4 0 0压力管道排至虹吸井再排放至 运河， 排水口排水量为l 2 5 0 i n 。 s 。虹吸井和排水 口布置及尺寸 见图 1 。运河常年水位为2 2 7 0 0 n a ， 运河底标高为2 2 3 0 0 m。 收稿 E t 期 ： 2 0 1 卜 o 6 1 5 作者简介 ： 高改玉 ( 1 9 8 6 一 ) ， 女 ， 山 西临县人 ， 硕士研 究 生， 研 究方 向为水 力学 及数值模拟 。 E- ma i l ：g a o g a i y u 1 1 1 4 c o rn 1 6 3 c o m 1 37 人 民 黄 河2 0 1 2年第 3期 图 1 虹吸井和排水 口布置及尺寸 ( 单位 ： m) 2 数值模拟 2 1 数学模型 虹吸井和排水 口水流属于一般不可压缩水流， 采用标准 k一 方程紊流模型封闭 R e y n o d s方程进行模拟 ， 其基本控制方 程组中连续方程为 + ： 0 ( 1 ) d t d 动量方程为 + 筹 = 一 O P + 毒 ( + ( 鬻 + 券O x 11 a a ， a i a ，L a J ( 2 ) 湍动能 k方程 为 + = 毒 【 ( + 差 ) 】 + G - p 8( s ) a a a L 、， fr a J 、 耗散率 s方程为 + = 毒 【 ( + ) 誊 + c G 譬 ( 4 ) 式中： t 为时间； u 、 分别为速度分量和坐标分量； 为求和下 标通用模型常数； p 4 x 分别为密度和分子黏性系数； P为修正的 压力 ； 为紊流黏性系数； 分别为湍动能、 耗散率下的普 朗特数 ， 取 =1 O 、 =1 3 ； 方程 中的经验常数 C 。 ：1 4 4 、 C ： =1 9 2 ； G为平均速度梯度引起的紊动动能产生项。 自由水面追踪采用 V O F法 I 7 。令 0 表示水的体积分 数 ， 则气体的体积分数 a 可表示为 o =1一。 。在一个单元 中， 水的体积分数有 3种情况， 即0 = 0 、 n =1 、 0n 1 ， 分别 与该单元 内充满气、 充满水、 水气界面 3种情况相对应。水气 界面的跟踪可通过求解下面的连续方程来实现： +u ： 0 ( 5) d 。d 根据 o 的值就可以得知自由表面的大致位置。 控制方程通过有限体积法进行离散， 速度与压力耦合采用 S I MP L E算法处理 ， 为减少数值扩散， 对流项采用二阶迎风离散 格式 J 。 2 2 计算区域及网格划分 进水管直径为 3 2 m， 计算取管长 2 0 m； 虹吸井宽 5 7 m、 高 6 4 m； 折型溢流堰顶宽0 6 m、 高 5 6 m、 总长6 8 3 m； 排水 口坡比为 1 ： 2 6 ， 下游伸入运河。网格划分采用分区域的六面 体网格和混合网格， 并在水流变化剧烈区域进行局部加密， 网 】 3 8 格步长为 0 1 m， 总网格数为 1 9 71 0 。 。 2 3边界条件 ( 1 ) 进 口边界。进 口分为水流进 口和空气进 口， 水流进口 定义为流速人 口条件， 空气进 口定义为大气压边界条件； 相应 的湍动能 k 和耗散率 s的计算公式见参考文献 8 。 ( 2 ) 出口边界。出口分为水流出口和空气出口， 空气 出口 为大气压， 水流出口为压力出口。 ( 3 ) 固壁边界。壁面采用无滑移边界条件 ， 在壁面处采用 壁面函数 J 。 3 计算结果与分析 把进出口流量差值小于0 5 作为计算收敛依据。 ( 1 ) 水面线比较。通过虹吸井和排水口中垂面排水过程的 水流流态可以看出， 水面是由水到气过渡的界面。左岸及右岸 掺气浓度 为 5 0 的水 面线 与模 型实测水 面线进行 比较见 图 2 ， 可见计算值和实测值吻合良好。 氆 * 图 2 计 算水面线与实测水面 线比较 ( 2 ) 速度场分析。在进行水工模型试验时 ， 在虹吸井溢 流堰顶的左岸、 堰中及右岸分别布置了一个流速测验断面， 堰 顶断面相应垂线的流速计算值与实测资料对比见图 3 ， 可见各 测点计算流速和实测流速基本一致。 毒 嫩 流速 ( m s ) 图 3 堰顶断面垂线流速计 算值与实测值 比较 综上可知， 数学模型计算的水面线和堰顶流速与模型试验 结果吻合良好， 说明笔者采用的紊流数学模型是正确的， 数值 模拟方法是可行 的。 4 堰型优化 4 1 迷宫堰 的设计 虹吸井采用折型堰的主要 目的是增大单位宽度流量。但 从模型试验结果可知， 原设计方案堰型过于简单， 结果使过堰 水流导向一侧， 过堰水流及流速分布不均。因此， 笔者采用三 维数值模拟方法对原设计方案溢流堰型进行优化。 迷宫堰是在平面上按齿状形布设的薄壁堰， 堰前溢流宽度 人 民 黄 河2 0 1 2年第 3期 比直线形堰长几倍 ， 在低水头时， 迷宫堰具有较大 的过流能 力 J 。因此， 笔者建议采用迷宫堰取代原方案的折型堰， 以 保证过堰水流及流速分布均匀、 堰后水流流态稳定。 迷宫堰在平面上有三角形布设和梯形布设两种， 三角形布 设水力特性最佳， 因此这里采用三角形布设。根据原设计方案 折型堰的基本参数， 在保证堰宽( 0 6 m) 、 虹吸井宽( 5 7 m) 及 堰总长( 6 8 3 m) 不变的前提下， 设计参数见图4 。 U ， J l _4 2 图4 迷宫堰的布设 ( 单位 ： m) 4 2 优化堰型的计算 ( 1 ) 流量比较。溢流堰优化前后模型试验实测值、 数值计 算结果见表 1 。从表 1可以看出， 优化后泄流量略有增大， 可以 满足设计要求。 表 1优化前后泄流量比较 ( 2 ) 流态比较。分析优化前后虹吸井和排水口堰后水流流 态及堰后典型平面的速度矢量图可知， 优化前堰后水流集中于 右岸， 左右岸流速分布不均， 左岸流速明显大于右岸 ， 与模型实 测结果一致， 不利于堰后防冲； 优化后水流平顺稳定 ， 流速及单 位宽度流量分布基本均匀对称， 有利于防止局部冲刷。 ( 3 ) 流速比较。优化前后堰顶中线横剖面表流速比较见图 5 。从图 5可以看出， 优化前堰顶表流速不均匀， 右岸流速大于 左岸流速； 优化后堰顶表流速趋于均匀对称。优化前后堰后水 舌入水处跌水水流流速见图6 。由图 6可见 ， 优化前流速从左 到右逐步减小， 最大值为 7 1 1 m s ， 最大流速差达4 3 4 m s ； 优 化后流速分布趋于均匀， 最大值为 6 6 0 m s ， 最大流速差为 3 6 5 m s 。 0 5 一 制 瞧 距左边 墙距 离 图 5 优化前 后堰 顶中线横剖面表流速 1 2 3 4 5 6 距 左边墙距 离 m 图6优化前后水舌入水处跌水 水流流 速 综上所述， 采用迷宫堰不仅可以满足增大泄流量的设计要 求， 且堰后水流流态较好 ， 过堰水流及流速分布趋于均匀。 5 结论 南迪普虹吸井和排水口三维数值模拟结果表明， 采用的紊 流数学模型是正确的， 数值模拟方法是可行的。迷宫堰方案较 原设计方案具有更好的过流条件， 使过堰水流及流速分布更趋 均匀， 堰后流态得到较大改善 ， 有利于排水口防冲， 提高工程整 体结构的安全性 ， 是一种较为理想的堰型。 参考文献 ： 1 李玲， 陈永灿， 李永红 三维 V O F模型及其在溢洪道水流计算中的应用 J 水 力发 电学报 ， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 2 ) ： 8 3 8 7 2 魏文礼， 李建中， 张宗孝 等 泄水建筑物曲面边壁三维定常紊流数值模拟 J 应用力学学报， 2 0 0 0 ， 1 7 ( 4 ) ： 1 0 5 1 1 0 3 张怀新， 刘应中， 缪国平 绕船体自由面周围三维粘性流场的数值模拟 J 船舶力学 ， 2 0 0 3 ， 7 ( 3 ) 1 3 3 3 9 4 许栋， 刘召平， 乾爱国， 等 弯曲河道中水流运动的三维数值模拟 J 水利 学报， 2 0 1 0 ， 4 1 ( 1 2 ) ： 1 4 2 3 1 4 3 1 5 马福喜， 王克修 溢流坝坝面水流数值模拟及其验证 J 人民黄河， 1 9 9 5 ， 1 7 ( 1 ) ： 3 9 4 2 6 C h e n Q， D m G Q， L iu H w V o l u m e 0 f F l u id M o d e l f 0 r T u u le n c e N u m e fi c M S i m u la t i o n 0 f s te p p e d S p iH w o v e r no w J A S M A J o u mM 0 f H y d r a u l i c E n 舀 n fi n g ， 2 0 0 2， 1 2 8( 7 )： 6 8 36 8 8 7 鲁婧， 肖洋， 秦芹 单墩绕流的三维数值模拟 J 人民黄河， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 1 0 ) ： 1 4 61 4 7 8 王福军 计算流体动力学分析 M 北京： 清华大学出版社， 2 0 0 4 9 韩占忠， 王敬 ， 兰小平 F L u E N T 流体工程仿真计算实例与应用 M 北 京 ： 北京理工 大学出版社 ， 2 0 0 4 1 0 张根广 南迪普 4 2 5 M W联合循环电站工程排水口水工模型试验报告 R 西安： 水利部西北水利科学研究所实验中心， 2 0 1 0 1 1 黄松联 迷宫堰在 小型水 库加 固扩建 中的应用 J 广东水 利水 电 ， 2 0 0 6 ( 6 )： 1 11 5 1 2 黄艳君， 杜涓 大型发电机组循环水系统虹吸井溢流堰型优化 J 华中电 力 ， 2 0 0 3 ， 1 6 ( 1 ) ： 4 7 4 9 【 责任编辑张华岩】 1 3 9 。 。 f 0