马岩洞水电站大坝冲沙孔三维数值模拟分析

马岩洞水电站大坝冲沙孔三维数值模拟分析

2013年第l0期黑龙江水利科技No．10．2013(第4l卷)HeilongjiangScienceandTechnologyofWaterConservancy(TotalNo．41)文章编号：1007—7596(2013)10—0141—05马岩洞水电站大坝冲沙孔三维数值模拟分析口口口口熊忠明，刘小龙，金城《决策思考四四E目E目巳目E_l[(中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院，贵阳550081)摘要：文章利用FLUNET软件，采用JIc～8紊流数学模型，VOF方法来模拟跟踪自由水面，求解三维数值方程，对马岩洞水电站大坝冲沙孔体型水流按定常流动进行了三维数值模拟与比选。通过比较分析，优化了泄水建筑物体型，为工程设计提供参考。通过工程实际运行表明：冲沙孔的泄流能力、流态、挑距等计算结果与实际运行结果吻合良好，说明数值模拟计算可以用于一些水工建筑物泄流计算和设计。关键词：冲沙孔；三维数值模拟；体型优化；泄水建筑；VOF方法中图分类号：TV133文献标识码：A的一个关键内容，过去主要通过水工模型试验，不断O引言修改冲沙孔出口体型从而得到较优的泄流流态，试水利水电工程遇到的问题多是边界条件复杂，验工作量大，费用较高⋯。存在自由水面的水流运动且水气掺混，需要采用二本文结合马岩洞水电站大坝冲沙孔体型设计，相流模型，特别是对自由水面的处理比较困难。早对不同体型状态下水流流动进行数值求解，根据工期的处理方法通常采用“刚盖法”，因为该方法要预程地形、地质条件，通过计算结果的比较，推荐出满先假设水面形状，对水面弯曲比较大的情况就会产足工程要求的体型。生较大误差，因此，“刚盖法”逐渐被现在的VOF马岩洞水电站由于受马岩危岩体的限制，可供(Vol—umeofFluid)方法取代，证明对于自由水面追选择坝址的河段有限，对选定坝址，河床比较狭窄，踪非常有效。且其左坝肩330in高程以上边坡存在挤压碎裂岩体通过工程模拟计算与实际水力学模型试验比边坡稳定问题，右岸坝肩存在局部裂隙切割的楔形较，对于一些中小型工程该方法成果能替代实际的块体稳定问题，需要在复杂的地形地质条件下进行水力学模型试验用于工程设计。枢纽布置和建筑物设计，重点解决泄水建筑物的安泄水建筑物是枢纽的重要组成部分，是保障枢全泄洪，保证下泄水流顺利归人下游河道并充分消纽工程安全的关键性建筑物，对于修建于高山峡谷能和减小下游岸坡的冲刷等。区，河面相对狭窄，冲沙孔布置受到限制，一般紧靠1数学模型岸坡位置，如何正确模拟其泄洪流态，保证其泄洪水流不冲刷岸坡，使泄洪水流充分“归槽”是工程设计本文研究采用，(～紊流数学模型，用VOF[收稿日期]2013—09—27[作者简介]熊忠明(1974一)，男，贵州兴仁人，硕士，高级工程师，从事水利水电工程设计及技术管理工作；刘小龙(1979一)，男，陕西西安人，工程师；金城(1967一)，男，安徽滁州人，教授级高级工程师。．-．——141．-——n2013年第1O期黑龙江水利科技No．10．2013(第41卷)HeilongjiangScienceandTechnologyofWaterConservancy(TotalNo．41)(VolumeOfFluid)方法来模拟跟踪自由水面。在度；和。分别为水和气的分子黏性系数，通过对VOF模型中，由于水和气共有相同的速度场和压力水的体积分数Ot的迭代求解。P和值都可由式场，因而对水气两相流可以象单相流那样采用一组(5)、(6)求出。方程来描述流场。对于本文采用的，c～紊流模型，对于上述基本微分方程，采用控制体积法将其连续方程、动量方程和，c、方程可分别表示如下：离散化，压力和速度的耦合计算采用SIMPLEC(SIM．1．1连续方程PLEConsistent)算法，对固壁边界，采用壁函数法公式如下：处理。塑+：0(1)2数值模拟及分析atax．、1．2动量方程考虑电站的运行情况，同时结合重力坝的布置，公式如下：本工程冲沙孔主要功能是排沙、参与泄洪，兼放空水库。Ot+O(、pJ。utz)／x从运行条件及金结方面考虑，底孔闸门尺寸宜小为好，同时考虑闸门的作用水头不宜过大，电站引亚一Oxt+毒[(+(薏+筹)](2)水系统进水口底板高程为330．O0m，因此选择孔口1．3，c方程尺寸为4×6m(宽×高)，底板高程为320．OOm进行公式如下：布置。经计算，电站5O年淤沙高程为327．90m，完生(臼生)一—全可以满足电站运行要求。Ot’OxOxtt冲沙孔由进口段、中部有压流段和出口明流挑[(+)差]+G+P(3)流段三部分组成J。拟定冲沙孔方案平面布置见图1—5。1．4方程——公式如下：Ot+O=x，丢Ox，L+or)，赛Oxf]J1=18．48m0+040．130+Ct专G—C2(4)＼＼，式中：为速度；P为压力；，c和分别为紊动能和紊动能耗散率；p和分别为按体积分数平均的流体密＼．度和分子黏性系数；为紊流黏性系数，它可由紊动．0+049．080能，(和紊动能耗散率求出，即=p；C为紊图1方案一冲沙孔孔平面布置图动能生成项。各张量表达式中，i=1，2，3即=，y，z；“=／Z，，，下标为求和下标。格式中的常数取值分别为=0．09；C=1．0；Czl=1．44；Cz2=1．92。P和是体积分数的函数，而不是一个常数。它们可由下式表示：P=+(1一)P。(5)：+(1一Ot)／x。(6)式中：Ot为水的体积分数；P和P。分别水和气的密图2方案二冲沙孔平面布置图nnn熊忠明，等：马岩洞水电站大坝冲沙孔三维数值模拟分析第10期边墙的最高水位均小于边墙顶部高程。经实际运行泄洪挑距对比，精度满足设计要求。综合挑流水舌的入水位置和边墙最高水位这两3结语个因素，方案3和4的计算结果较优，建议将边墙顶1)本文利用FLUNET软件，采用，c—紊流数学部高程增高至332．O0m，以满足这2个方案的泄洪模型，VOF方法来模拟跟踪自由水面，求解三维数值要求。通过分析，采用方案作为设计推荐方案。方程对在个人计算机上方便、快捷地模拟进行了马表2不同底孔方案左、右边墙的最高水位岩洞水电站冲沙孔体型方案比较设计。计算结果与工程近五年的实测值表明：冲沙孔的泄流能力、水面线、挑距等计算结果与实际运行结果吻合良好。说明对于一些中小水利水电工程该方法成果能替代实际的水力学模型试验用于工程设计，可以降低设计成本和缩短设计周期。2)通过本工程的实践，对于重要或者条件复杂的工程必须进行水工模型试验时，也可用三维数值从上表2计算结果可知：由于来流受左边墙的模拟计算方法对不同的泄流方案进行计算，快速得阻挡，水面向上爬高，左岸水位明显高于右岸。出成果，对其计算成果进行分析后，可在水工模型试2．2．3冲沙孔泄流成果验前确定试验方案，以避免一些费用较高、耗时长、对于选定的方案4，冲沙孔泄流量成果见表3。试验工作量大的不必要的重复试验，提高工作效率。表3方案4冲沙孔泄流量成果表3)通过工程的运用实践，不断总结经验，可预期：随着电子计算机技术的发展，在水利水电科学的研究和设计方法中，三维数值模拟计算方法获得越来越广泛的运用。参考文献：[1]张光碧，邓军．河道水流三维流速场的数值模拟研究[J]．四川大学学报，2007，39(01)：58—62．经实际运行泄量对比，精度满足设计要求。[2]李玲，陈永灿，李永红．三维VOF模型及其在溢洪道水流2．2．4冲沙孔挑距成果计算中的应用[J]．水力发电学报，2007，26(02)：83对于选定的方案4，冲沙孔挑距成果见表4。—87．[3]丁道扬，吴时强．三维过坝水流数值模拟[J]．水利水运表4方案四冲沙孔挑距成果表科学研究，1994(03)：185—196．[4]王志东，汪德煌．含闸墩溢流坝三维过坝水流数值模拟[J]．水科学进展，2004，15(06)：735—738．[5]王瑞江，吴树仁．滑坡稳定性三维数值模拟分析[J]．长春科技大学学报，1999，29(03)：267—278．[6]谭成轩，王连捷．含油气盆地三维构造应力场数值模拟方法[J]．地质力学学报，1997，3(01)：71—80．[7]张雷，顾文红．岩堆体边坡稳定性的三维数值模拟分析[J]．地下空间与工程学报，2007，03(06)：1104—1108．一145—