双层多股射流纵向间距对水垫...冲击荷载影响的数值模拟研究_钟杰.pdf

四 川 水 利2023.No.3双层多股射流纵向间距对水垫塘底板冲击荷载影响的数值模拟研究钟 杰，张法星*，李山茂(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都，610065)【摘要】高拱坝坝身泄洪一般采用表深孔联合泄流，从而形成双层多股射流，而多股高速射流作用于水垫塘时会使其底板承受巨大的冲击荷载。研究双层多股射流布置对水垫塘底板冲击荷载的影响对保障泄洪安全具有重要意义。文章采用 NG k 紊流模型和 VOF 水气界面跟踪技术，得到了多股水舌不同纵向间距条件下水垫塘底板的冲击荷载分布，对比了不同射流水舌排布方式下水垫塘内的流速分布。数值计算结果显示:由于存在动水垫效应，在横向间距不变时，双层多股射流前后排射流间存在一个合理的纵向间距可以使得水垫塘底板上冲击荷载最小。以上研究结果对保障多股水舌冲击水垫塘底板条件下的泄洪安全具有一定的参考价值。【关键词】射流水垫塘紊流数值模拟水气二相流冲击荷载中图分类号:TV131.61文献标志码:A文章编号:20951809(2023)030008050前言高拱坝坝身泄洪时，多采用表深孔结合的方式，表深孔的数量根据工程泄流实际要求可以从少到多，比如锦屏一级拱坝坝身泄洪由 4 表孔+5深孔联合消能。在泄流时，不同的表深孔数量及布设方式不同，会导致水垫塘内水舌排布方式存在差别，多是 3 股以下的射流问题16，尚无 5 股以上射流的排布方式(纵向间距)对水垫塘底板冲击荷载影响的研究。对此，本文在前人研究的基础上，采用数值模拟进行该问题研究。1计算模型与计算方法1.1VOF1.1VOF 模型模型本文采用 VOF 法追踪液面，其基本原理78 是通过研究网格单元内流体和网格体积比函数Fwt，xi()来确定自由面(i=1，2，3)追踪流体的变化而非追踪自由液面上质点的运动。Fwt，xi()=0 表示此单元无指定液体;Fwt，xi()=1 表示单元内充满指定液体;若Fwt，xi()(0，1)，则表示该单元部分充满指定液体。Fw的控制方程:Fwt+(uiFw)xi=0(1)式中，t 为时间，xi和 ui分别为速度分量和坐标分量。引入 VOF 后，、是Fwt，xi()的函数，其中 可以表示为:=Fww+1Fw()a(2)可表示为:=Fww+1Fw()a(3)式中，w和 a分别为水和空气的密度;w和a分别为水和空气的分子粘性系数。上述所有方程加上连续性方程、NS 方程、k方程、方程、紊流模型、雷诺时均方程等共同构成求解流场分布的封闭方程组，给定边界条件后，就可构成方程组定解问题。8基金项目:国家自然科学基金项目(52192673)。*通讯作者2023.No.3四 川 水 利1.2计算方法1.2计算方法计算采用 NG k 双方程模型，采用结构化网格和有限体积法来离散计算域，速度压力耦合采用 PISO 算法，动量方程采用二阶迎风格式，湍动能 k 与湍动能耗散 输运方程均采用 Quick 格式。1.3模拟区域及几何参数1.3模拟区域及几何参数数值模拟采用试验模型比尺为 1 400 的精细水工模型试验，所用矩形管尺寸为 10cm1cm。数值模型的建立如图 1 所示，5 股形状大小完全相同的射流交错地分为两排，按照位置从小到大依次编为 15，与水平面夹角呈=50的矩形管(矩形管形状为 HB=10cm1cm)射出斜向冲击在水垫塘底板，垂直底板方向为 x，顺水流方向为y，垂直底板方向为 z。必须说明的是本文的 y=y2y1(y2为 2 号射流的纵向位置，y1为 1 号射流的纵向位置)，即 y 的正负号只代表前后排射流的相对位值。y0 为“前 2 后 3”布置，y0 为“前3 后 2”布置。(a)数值模型射流排布方式平面示意(b)多股射流排布三维图图 1多股冲击射流计算模型1.4模型网格划分1.4模型网格划分多股射流冲击水垫塘底板计算模型的网格划分如图 2 所示，网格划分尺寸在 5 股射流附近局部加密，计算域的网格总数大致为 70 万且随着不同的工况网格数量有小范围浮动，不同工况下的网格划分方法相同，数量大致相同。图 2多股冲击射流计算单元网格1.5计算边界条件1.5计算边界条件数值计算采用速度进口，根据物理模型试验相关 研 究 流 量 监 测 数 据 推 算 出 进 口 流 速 为3.76m/s，5 个进口速度均取 3.76m/s，出口采用压力出口，通过在计算域 y 轴末端建二道坝来控制水垫塘内水深。2结果分析数值模拟计算了同一下泄流量不同射流水舌排布方式下，下游水垫塘底板上的最大冲击荷载，分析了 5 股流量相同、入水形态相同的射流，随着编号 2、4 水舌与编号 1、3、5 水舌间的纵向距离变化，水垫塘底板最大冲击动压的变化情况。2.1水垫塘底板冲击动压分布2.1水垫塘底板冲击动压分布冲击荷载是水垫塘水力设计和消能效果的重要控制指标之一，多股水舌进入水垫塘后，水垫塘底板冲击荷载深受水股间干扰、碰撞特性的影响，图 3 给出了部分工况下，水垫塘底板上时均冲击动压的分布情况。从图 3 可知，各种排布方式下五股窄长射流在水垫塘底部均形成五个压力中心，且时均冲击动压分布的压力中心随着排布方式的变化而变化，五个压力中心点在水垫塘底部的相对位置分布与其射流间位置分布相似。随着多股射流排布方式的变化，水垫塘底板冲击动压变化有一定规律:当 1、3、5 号射流的位置固定，2、4 号射流顺流向或者逆流向远离 1、3、5 号射流，水垫塘底板上9钟 杰，张法星，李山茂:双层多股射流纵向间距对水垫塘底板冲击荷载影响的数值模拟研究2023.No.3冲击动压分布的变化趋势是相似的，大致呈先增加后减小最后再增大的趋势。比较 2、4 号射流与1、3、5 号射流不同纵向间距 y 下底板的冲击动压分布可以看出，当间距较小时，5 股射流对底板的冲击荷载较大，而且分布范围相对较小;当间距较大时，5 股射流对底板冲击荷载较小，分布范围较大。例如，当 y=0.04m 时，pmax=17.8hPa，当y=0.10m 时，pmax=10.67hPa，两种情况下底板上最大冲击荷载相差 48.3%。这是因为间距较小时，射流间分布相对集中，间距较大时，射流间的分布相对分散。在图中可以看出当 2、4 号射流顺流向远离时候在 y=0.10 时各射流在水垫塘底板上形成的冲击荷载有最小值。图 3不同射流排布方式射流在塘底时均冲击动压分布2.22.2射流纵向间距对底板最大冲击荷载的影响射流纵向间距对底板最大冲击荷载的影响因 5 股射流的分布是关于水垫塘的 x 轴对称的，底板上冲击荷载分布也是关于 x 轴对称的;1、2 号射流与 4、5 号射流的冲击荷载沿 x 轴沿程分布也是相同的，因此在图 4 中展示，1、2、3 号射流(4、5 号射流与 1、2 号射流相同)对应底板冲击荷载分布形心处点的冲击荷载分布随 y 变化的情况。可以看出 3 股射流对底板冲击动压分布的对应形心点的冲击荷载 Pmax随着 y 变化的大致变化趋势是一致的，大多数情况下各工况的最大冲击荷载都出现在轴线(x=0m)附近。如，当 y=0.04m 时，底板上最大冲击荷载可以取到各工况下的最大值，此时冲击荷载最大值出现在 3 号射流轴线(x=0m)处，而 y=0.1m 0.08m 时，Pmax也在 3 号射流处取到最大值。还可以发现，在 2、4 号射流与 1、3、5 号射流的纵向间距顺流向或者逆向增加时，底板上的最大冲击荷载整体上会出现一个较小值，当间距进一步增加，底板上最大冲击荷载又会出现一个稳定大值。射流孔口形状为 HB=0.1m0.01m 矩形，因此不难看出当 y/H=1 0.8 时，水垫塘底板最大冲击荷载可以取各种工况下的最小值，此时水垫塘内的消能效果最好。即，在本文条件下，当移动的两股射流刚好相互错开(1 0.8 倍水舌纵向长度 H)时，消能效果较好;当错开的距离过大(y/H1.5，y/H1.4)时，射流完全分开对底板冲击荷载逐渐增大。且随着 1、3、5 号射流与 2、4 号射流的纵向间距变化，水垫塘底板上最大冲击荷载间变化较大，最小冲击荷载值与平均冲击荷载值之间相差了近23.4%，最大冲击荷载则与平均冲击荷载值直接差了近 38.2%。图4多股射流不同纵向间距间底板射流形心处冲击动压2.32.3不同工况下水垫塘内部分区域流速分布不同工况下水垫塘内部分区域流速分布图 5 选取图 4 中几个冲击荷载相对差异较大的几组工况，在其最大冲击荷载点对应 ZY 切012023.No.3四 川 水 利面，做出各种工况的速度流场图。从图中可以看出，射流刚进入水垫塘时，射流内部流速较大，最大在 4.2m/s 附近(射流内部流速分布大部分高于 1.8m/s)，射流周围水体流速较小，大致流速都在 0.8m/s 以下，大部分低于 0.4m/s，以图 6(a)为例，该区域大致范围为 Y 方向 00.25m 及 Y0.6m 处。随着射流向下运动到底板附近，射流内部流速迅速由 4.2m/s 减小到 1.8m/s 以下，大部分流体改变流向后沿底板以 1.2m/s1.8m/s 的较高流速贴壁流向下游，并在水垫塘内形成较大的涡，使得水体之间的扰动范围变大;小部分流体逆流流向上游与上游水体间产生扰动。由图 5 各图还可以看出，当多股射流射入水垫塘内，只要 1、3、5 号射流与 2、4 号射流存在纵向间距达到某一值，后排射流就会在前排射流底部形成一层动水垫。当前后排间距过大时，动水垫的作用则基本不存在;当前后排纵向间距过小动水垫效应也不能形成。动水垫效应的强弱也可以结合涡的位置及强弱来进行分析。以图 5(d)为例，在 3 号射流核心的上游存在一大一小两个涡，靠近水垫塘底板的涡顺时针旋转(位于 Y=0.375m，Z=0m 附近)，较小;而位于 Y=0.2m，Z=1.4m 附近的涡较大，这是因为水垫塘内水体的扰动形成动水垫作用较弱，被 3 号射流阻挡，形成逆时针旋转的较大涡。由图 4 可知，当 y=0.04m 时，水垫塘底板冲击荷载最大，由图 5(c)可知，射流核心上游只形成了一个大涡，靠近底板的顺时针旋转的涡(Y=0.37m，Z=0.6m 附近)相比图 5(d)更强，说明动水垫效应仍然较弱，射流核心具有很大能量，顺流的上游水体被射流经底板反弹后的逆流水体卷吸形成顺时针涡。图 5(b)水垫塘内流态与图 5(c)相似，不同的是，图 5(b)中射流核心上游的顺时针的大涡更靠近水垫塘表面，这说明这种情况下的动水垫作用更强。由此可见，斜射流纵向距离 y 对水垫塘底板冲击荷载产生影响主要是因为不同纵向间距下后排射流在水垫塘内对前排射流产生的动水垫作用，除此之外，前后排射流的流量比也会影响水垫塘底板最大冲击荷载值。结合图 4 可知，后排射流流量(y0)较小时即前排 3 股射流后排 2 股射流，水垫塘底板冲击荷载较小。(a)y=0.17m(x=0.2m 截面)(b)y=0.10m(x=0.0m 截面)(c)y=0.04m(x=0.0m 截面)(d)y=0.0m(x=0.1m 截面)(e)y=0.12m(x=0.0m 截面)(f)y=0.2m(x=0.0m 截面)图 5不同纵向间距下水垫塘内最大冲击荷载对应断面速度流场(下转第 31 页)112023.No.3四 川 水 利年。参 考 文 献 1 张孟丹，余钟波，谷黄河，等无定河流域降水量空间插值方法比较研究J 人民黄河，2021，43(4):3037，99 2 李晓刚，黄春长，张玉柱基于 HECAS 模型的无定河万年尺度洪水水文学研究J 长江流域资源与环境，2020，29(2):526534 3 王 伟，李占斌，杨 瑞，等无定河流域径流侵蚀功率时空变化特征J 水土保持研究，2020，27(1):2632 4 李晓乐，成 晨，张永娥，等黄土高原典型流域输沙量变化及减沙贡献率分析J 泥沙研究，2021，46(3):2835 5 王思梦，黄 昌基于遥感和 GIS 的流域自然生态环境质量监测与评价 以无定河流域为例J 干旱区地理，2018，41(1):134141 6 焦 阳，雷慧闽，杨大文，等基于生态水文模型的无定河流域径流变化归因J 水力发电学报，2017，36(7):3444 7 蒋凯鑫黄河中游多沙粗沙区典型流域水沙变化归因对比分析 D 陕西:西安理工大学，2020 8 高海东，李占斌，李 鹏，等黄土高原暴雨产沙路径及防控 基于无定河流域 20170726 暴雨认识 J 中国水土保持科学，2018，16(4):6672 9 朱芮芮变化环境下无定河流域水文循环机理及分布式模拟研究 D 北京:中国科学院地理科学与资源研究所，2009作者简介:黄国艳(1970.03)，女，贵州赫章人，大专学历，工程师，研究方向:水土保持。(上接第 11 页)3结语本文针对多股双层射流不同排布方式(主要是前后排射流纵向间距)对水垫塘冲击荷载的影响问题，进行了数值模拟研究，初步获得以下结论:(1)在本文条件下，当 5 股射流的流量一定时，孔间的纵向间距对底板冲击荷载的影响是显著的。5 股射流间前后排间距过大或者过小时，射流分布过于集中或者过于分散，底板最大冲击荷载都较大，间距适中时消能效果较好。(2)在本文条件下，这个适中的间距为 y/H=10.8(前 3 后 2 分布)，此时前后排射流恰好相互错开。(3)5 股斜向冲击射流呈前后排交错分布时，当 y/H=1 0.8 时，射流对底板的冲击荷载更小。通过对水垫塘内的流速分布进行分析，发现产生这种现象的主要原因是此种情况下水垫塘内后排射流对前排射流形成的动水垫效应减小了前排射流对水垫塘底板的冲击荷载，而后排射流总流量较小(前 3 后 2 布置)，因此后排射流间的冲击荷载也较小。参 考 文 献 1 刘沛清，高季章，李永梅多层水股射流在水垫塘内的流动特征与动水垫效应分析J 水利学报，1999(03):28 2 焦爱萍，张春满，刘沛清多层水股射流在水垫塘内流场特性的数值模拟 J 灌溉，2007(03):6064DOI:1013522/jcnkiggps200703016 3 李乃稳，许唯临，刘 超，等高拱坝表孔宽尾墩水力特性试验研究 J 水力发电学报，2012，31(02):5661 4 张晓哲多股窄长射流在水垫塘内的水力特性试验研究 D 四川大学，2013:101 5 卢艳娜斜向淹没射流在水垫塘内的水力特性试验研究 D 四川大学，2013:12 6 张晓萍，张建民适用于窄深河谷的复合型挑流鼻坎水舌特性研究 J 水利技术监督，2021，170(12):161164，209 7 YMShen，CONg，YHZhengSimulation of wavepropagation over a submerged bar using the VOF method witha twoequation k turbulence modelingJ Ocean Engi-neering，2004，31(1)8 廖 斌，陈善群VOF 方法模拟水面振荡流场 J 长江科学院院报，2011，28(05):2730作者简介:钟 杰(1997)，男，硕士研究生，研究方向:工程水力学;Email:13688059806 qqcom张法星(1979)，男，博士，研究员，主要从事水力学及河流动力学研究工作。Email:zhfx scueducn13