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高水头大流量拱坝水垫塘水动力特性数值模拟

2024-11-28 66 上传者：管理员

摘要：高拱坝泄洪过程具有高水头、大流量以及高流速等特点，对水垫塘结构安全提出了更高要求。为分析高拱坝泄洪对水垫塘地板的影响，采用标准k-ε紊流模型并借助几何重构格式的VOF法追踪水垫塘内自由水面，模拟结果与实测结果相吻合。结合水垫塘底板压力分布与湍流粘度模拟结果，分析了高拱坝泄洪消能过程中水垫塘底板的水力特性以及其对磨蚀损伤的潜在影响。

关键词：
大型水电站
数值模拟
标准k-ε紊流模型
水垫塘
高拱坝
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1、研究背景

高拱坝已成为大型水电站的主选坝型之一，且我国的高坝枢纽坝址多选在西南高山峡谷中，存在高水头、大流量、高流速等特点，对泄洪消能建筑物提出了更高要求[1]。因此，研究水垫塘在高拱坝泄洪消能中的水力特性，对精准掌握水垫塘结构安全以及其损伤情况具有更重要的现实意义[2-3]。

近年来主要围绕数值模拟方法的构建，并采用与物理模型实验相结合的技术思路，对水垫塘水力特性的数值模拟开展了相关研究[4]。沙海飞等[5]采用两相流模拟方法计算并分析了坝身表孔泄流过程，得到了较真实的泄洪能量损失过程以及水垫塘水力特性分布情况，并且验证了该数值方法在研究坝身泄洪水力特性中的有效性。陈华勇等[6]基于VOF两相流的标准k-ε双方程紊流数学模型模拟计算了消能工的水力特性，并且通过与模型实验相比较，证明了数值模拟方法的可靠性且弥补了物理模型的不足。马斌等[7]采用数值模拟方法计算了连续坎和燕尾坎的水力特性，分析了两种挑坎的水舌特性、水垫塘底板动水压强分布以及扩散特性等。冯帆[8]构建了RNGk-ε双方程紊流模型结合VOF捕捉自由水面数值模拟方法，得到了孔梁水库溢洪道工程从库区到溢洪道再到下游冲坑水垫塘的全程水气二相流三维数值模型。

因此，采用数值模拟方法已成为目前研究水工建筑物泄流过程以及水垫塘水力特性的重要技术手段与方式，但关于高水头大流量拱坝泄流过程的水垫塘水力特性研究还鲜有报道。因此，本文将围绕高水头大流量拱坝泄洪过程开展三维数值模拟，以分析水垫塘的水力特性变化情况。

2、工程布置及数值计算模型

2.1 工程布置

某水电站地处青藏高原和云贵高原向四川盆地过度的斜坡地带，水电站大坝为双曲拱坝，坝高285.5 m, 坝身主要设置了7个表孔用于泄洪，并在下游0～396.5 m 范围内设置了水垫塘用于保护下游结构。

2.2 三维模型

所选取的水电站坝身泄洪孔以及下游水垫塘结构复杂，过流断面形态多变，为此采用CATIA V5 R20三维建模软件作为几何建模平台。依据水电站大坝设计图纸以及水垫塘工程布置图纸等相关设计资料，构建几何比尺为1∶1的原型三维几何模型，如图1所示。

图1 某水电站水垫塘三维模型

2.3 控制方程

采用雷诺方程描述水垫塘高速掺气水流运动，结合标准的k-ε紊流模型封闭雷诺方程，借助几何重构格式的VOF法追踪水垫塘自由水面。控制方程及紊流模型包括连续方程、动量方程、紊动能k方程、紊动能耗散率ε方程以及流体体积函数方程。各方程具体表达式如下所示：

流体体积函数方程：

式中：ρ为水的密度；t为时间；ui为i方向的速度分量；uj为j方向的速度分量；Fi为i方向的质量力；μ为动力粘度；p为压强；αq为流体体积函数；μt为紊流粘滞系数，可由紊动能k和紊动能耗散率ε表示，即μt=ρCμk2/ε,Cμ=0.09;方程中通用模型常数αk=1.0,σε=1.3,Gε1=1.44,Gε2=1.92。

对于近壁面低雷诺数区域流场，采用标准壁面函数进行处理。其表达式如下所示：

式中：UD为近壁面D点的平均流速；kD为D点的紊动能；yD为D点到壁面距离；k为卡门常数，一般取0.41;E=9.81;τω为壁面剪切应力。

2.4 网格划分及计算方法

通过对某水电站水垫塘进行三维几何建模，构建了三维数值模拟计算域，基于ICEM19.2软件对计算域进行网格划分。由于几何体较为复杂，因此选择使用对几何体贴合程度较好的四面体网格进行网格划分。水垫塘底板附近网格最小尺寸为0.5m,最大网格尺寸为2m,考虑到计算效率的影响，大坝上游水库部分等部分网格最大尺寸设置为10m,最终总网格数为300万左右。

整个数值求解过程基于Fluent19.2等计算流体力学软件。通过非稳态计算逼近流动稳态过程，采用PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法求解压力-速度耦合场，通过选取合适的松弛因子，使迭代较好的收敛。VOF(Volume Of Fluid)法对于自由水面的捕捉采用几何重构(Geometric Reconstruction)格式，时间步长Δt取值0.01s。当计算至水垫塘进口与出口流量趋于平衡，相对差值低于0.5%时，认为计算结果达到收敛，流动趋于稳态。

2.5 边界条件

上游进口与下游出口边界：根据水垫塘运行期间各工况给定特征水位边界条件，上游与下游的边界设定为水位边界。进口断面的k、ε参考值由经验公式(7)给出：

式中：u为断面平均流速；L为紊流特征长度，计算时取水力直径。

空气边界：由于水流自由表面与外界大气相连通，因此给定当地大气压力作为边界条件；固壁边界：设定为无滑移边界条件。

3、模型验证及模拟方案

3.1 模型验证

根据2020年水电站大坝监测数据，选取上游水位与下游水位分别为591.02m以及383.78m时的运行工况进行模型验证，在该工况下大坝水垫塘下游泄流量为5 763.97m3/s,数值模型计算结果出口泄流量为5 751.52m3/s,相对误差为0.22%(如表1所示),与实测结果吻合较好，表明数值模型计算结果可以较为准确地反映真实流动的情况。

表1 数值模拟结果验证

3.2 模拟方案

根据水电站实测相关数据，本文选取了三个工况进行模拟计算，工况信息如表2所示。在所选定工况中，深孔开启编号为2、3、6、7号。

表2 数值模拟工况选取

4、结果分析

4.1 水垫塘底板压力分布

图2所示为三种工况下水垫塘底板压力分布图。从整体来看，水垫塘底板所承载的压力变化较小，且压力值也相对较小。从分布情况来看，各工况下分布情况并不相同，工况1条件下，底板较大压力主要集中在水垫塘下方的挑坎处，而在靠近泄洪深孔处的压力较小。工况2条件下，其压力分布则与工况1相反，底板较大压力集中在底板上方靠近孔口泄流处。工况3条件下，水垫塘底板的压力值较低，且分布较均匀，与工况1相同的是较大压力出现在下方水垫塘底坎处。因此，整体来看，虽然三个工况内较大压力分布情况略有不同，但是工况2和工况3情景下，水垫塘底板压力差并不显著，这是由于这两种工况的上游水位较低，并且下游水位较高，因此水垫产生了更明显的消能作用，导致水垫塘底板上的压力分布相对较为均匀。相比之下工况1条件泄洪水位较高并且下游水位较低，水垫消能作用相对较小，而水流动量较大，导致水垫塘底部的压力分布较不均匀，压力差相对较大。

4.2 特征断面湍流粘度分析

为分析水垫塘不同位置截断面处湍流粘度变化情况，本研究选取了从上游至下游共四处特征断面分析其湍流粘度变化情况，特征断面(断面1、断面2、断面3以及断面4)分布情况如图3所示。

图4～图6所示为3种工况下各特征断面处水流的湍流粘性分布图。从整体分布图来看，特征断面断面1的湍流粘性分布图表明，工况1由于水位较高，位于水库处的特征断面其湍流分布较规则，只是在靠近水库表面以及泄流深孔处的湍流粘性发生了变化。而工况2和工况3在水库处的湍流粘性变化更大，分析主要是由于这两个工况其水位相较于工况1较低，在泄流过程中，对水库扰动的影响也就略大。而特征断面断面2,3,4的湍流粘性分布变化表明，在下游水垫塘中特征断面下方的湍流变化最大，这主要是由于受到了泄流过程影响，使得在此处的水流变化剧烈，受到泄流的扰动更明显。对3个工况的横向对比表明，同样由于受到上游高水位和下游低水位的影响，与其他两个工况相比，工况1在水垫塘中的3个特征断面中水流波动更加强烈，因此导致湍流粘性相对较大，高湍流粘性区域也相对较大，而工况2和工况3由于下游高水位使得水垫塘产生了更好的水流阻挡和消能的作用，因此湍流粘性影响程度和范围都较小。

图2 不同工况下水垫塘底板压力分布图

图3 水垫塘4处特征断面位置分布图

图4 工况1情景下4处特征断面湍流粘度分布图

5、结语

为模拟高拱坝泄流过程中水动力特性对水垫塘底板的影响，本文开展了水电站水垫塘水动力计算分析。根据水电站实测数据对模型进行验证，验证结果的相对误差为0.22%,表明所构建的模型可以为水垫塘的水动力以及压力分布情况等提供精确的模拟结果。同时还模拟了4个泄流孔开启状态下的水垫塘底板压力分布情况与湍流粘性分布情况，从模拟结果来看，该水电站水垫塘底板在运行过程中相较于侧壁所受到的水流作用最强，压强最大，因此更容易受到水流的冲击而形成破坏。水垫塘底板与侧壁连接处水流紊动增强，压强达到峰值，安全巡检过程中应重点关注水垫塘底板及底板与侧壁连接处的混凝土破坏。

图5 工况2情景下4处特征断面湍流粘度分布图

图6 工况3情景下4处特征断面湍流粘度分布图

参考文献:

[1]漆祖芳,李蘅,徐唐锦,等.乌东德高拱坝坝身不设底孔生态泄水技术与实践[J].人民长江,2022,53(2):148-152.

[2]黄小明.高拱坝施工导流风险可视化监测方法研究[J].水利科技与经济,2021,27(7):100-104.

[3]刘小强,胡筱,祝海霞.高拱坝大流量全坝身孔口泄洪消能布置设计方案研究[J].水电站设计,2021,37(2):54-57.

[4]刘培豪,孙亮,韩松林,等.高拱坝坝身泄洪及表孔体型优化数值模拟[J].水道港口,2023,44(2):217-224.

[5]沙海飞,周辉,吴时强,等.坝身泄洪水气两相流二维数值模拟[J].水动力学研究与进展A辑,2007(3):311-316.

[6]陈华勇,许唯临,邓军,等.窄缝消能工水力特性的数值模拟与试验研究[J].水利学报,2012,43(4):445-451.

[7]马斌,叶星宇,缑文娟,等.燕尾坎水舌冲击特性试验及数值仿真研究[J].水资源与水工程学报,2021,32(6):125-133.

[8]冯帆.孔梁水库工程溢洪道下游冲刷及水垫塘水力特性研究[D].重庆:重庆交通大学,2020.

基金资助:国家自然科学基金区域创新发展联合基金(U21A20157); 中国长江电力股份有限公司科研项目资助(Z412202010);