深孔泄洪洞三维数值模拟与门槽体型优化.pdf

深孔泄洪洞进口段的数值模拟和门槽体型优化 张卓，黄细彬 河海大学水利水电工程学院，南京（210098 ） E-mail：mercury1214@126.com 摘 要：深孔泄洪洞因其水头高,流速大,易空化等特点受到许多学者和水利工程师的关注,而其 中门槽处是容易发生空化的部位, 因此它的体型设计必须考虑如何提高门槽的抗空化性能.本文 采用标准k −ε 紊流模型结合Mixture 两相流模型,对吉林台深孔泄洪洞的进口段进行三维数值 模拟,得到的数值计算结果与物理模型试验值吻合良好,然后通过改变门槽体型,研究不同体型下 门槽的压强分布和流场,提出了在原来基础上的优化方案. 关键词：标准k −ε紊流模型，Mixture 两相流模型，优化，门槽体型 近年来,随着我国”九·五”,”十·五”计划的实施,我国的坝工建设取得了飞速的发展.我国近年 来兴建和设计的许多高坝都在200 米以上,如二滩,构皮滩(坝高225m),拉瓦西(坝高250m),小湾 (坝高292m),溪洛渡(坝高283m)等.高坝固然有自己的优势,但也带来了一系列诸如空化空蚀的高 速水力学方面的问题.在高坝工程中,深孔泄洪洞常常被作为施工导流和泄洪的一种重要方式. 由 于深孔泄洪洞水头很高,一般都在40m 以上,因此它的水流状态和空化状况往往是学者关注的焦 点. 研究深孔泄洪洞的水流空化问题的方法主要有两种:水工模型试验和数值模拟. 水工模型试 验是传统的研究方法,我国很多研究机构如中国水科院在高速水流模型试验方面有丰富的经验 和数据积累,但高速水流物理模型除制作周期长, 占用场地,投资大,改动不方便等一般物理模型的 缺陷外,还要求有高速水洞以及减压箱等工具, 比尺一般都很大,耗费也远高于一般物理模型,因此 随着计算机技术的发展,数值模拟已经逐步成为强有力的研究手段和方法. 本文结合吉林台深孔泄洪洞的物理模型试验,采用k −ε紊流模型结合Mixture 两相流模型, 对吉林台深孔泄洪洞的进口段进行数值模拟,数值结果和物理模型的结果相当一致.然后又利用 建立的数值模型研究泄洪洞门槽部位的形状对水流特性的影响,提出了优化方案. 1. 数学模型的建立 [1] 紊流模型采用近些年使用广泛的标准k −ε双方程模型 ,基本方程为: ∂ρ ∂ + (ρu ) 0 (1) i ∂t ∂x i ∂ ∂ ∂ ∂ ∂u p i (ρu ) + (ρu u ) − + (µ −ρu u ) +S (2) ∂t i ∂x i j ∂x ∂x ∂x i j i j i j j 对于雷诺应力项采用Boussinesq 涡粘假定,即: ∂ui ∂uj 2 ∂ui ρ µ ( ) (ρ µ )δ (3) − u u + − k + i j t ∂x ∂x 3 t ∂x ij