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長(zhǎng)距離大口徑輸水管道放空建筑物設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬分析

2021-04-15 07:48
工程技術(shù)研究 2021年5期
關(guān)鍵詞:消能率閘閥涵洞

新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 830000

1 工程概況

倒虹吸總長(zhǎng)3.9km,全線由PCCP管及鋼管組成,管徑為3.5m,放空系統(tǒng)由放空鋼管、消力井和溢流涵洞組成。放空鋼管共3根,內(nèi)徑300mm,水平并列布置,間距1.3m。放空鋼管上布置有閘閥,兼具控制與消能作用。鋼管末端為半徑0.6m的彎管,出口朝下,距消力井井底1.05m,其中,中間鋼管出口位于豎井中心位置。消力井為圓形豎井,內(nèi)徑4m,高15.7m。消力井上部接溢流涵洞,涵洞斷面為矩形,寬1.5m,高1.6m,坡度為1/200,涵洞起始端底板高程距消力井底部12.497m。涵洞末端與陡坡相接,將水排入下游河渠。

2 放空系統(tǒng)水力學(xué)數(shù)值模型

根據(jù)放空系統(tǒng)布置的水力特點(diǎn),建立三維CFD數(shù)理模型,模型范圍包括排水鋼管(從工作閘閥后開始)、消能井和溢流涵洞。3根鋼管起點(diǎn)為計(jì)算域進(jìn)口,溢流涵洞終端為計(jì)算域出口。放空系統(tǒng)水流流動(dòng)可認(rèn)為是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的不可壓湍流流動(dòng),采用時(shí)均N-S方程描述,湍流模型采用RNGk-ε模型,溢流涵洞泄水自由面采用VOF技術(shù)捕捉。流動(dòng)控制方程如下:

邊界條件:進(jìn)出口均為壓力邊界條件,進(jìn)口壓力根據(jù)有效工作水頭及閘閥消能率計(jì)算給出,出口為自由出流??刂品匠痰碾x散采用有限體積法,速度與壓力的解耦采用SIMPLE算法,對(duì)流項(xiàng)離散采用QUICK格式,體積分?jǐn)?shù)離散采用修正的HRIC格式。

3 數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果

針對(duì)閘閥的不同消能率進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,計(jì)算工況如表1所示。

表1 計(jì)算工況表

(1)流態(tài)與流場(chǎng)。工況1和工況2消力井頂部及溢流涵洞均為明流,溢流涵洞水流平穩(wěn)。隨著閘閥消能率的增大,放空流量減小,消力井頂部水位及溢流涵洞水面線均降低,如圖1所示。

圖1 放空系統(tǒng)流態(tài)

受彎管影響,放空管出口射流核心區(qū)(高流速區(qū))并非軸對(duì)稱分布,而是向彎管外側(cè)及兩側(cè)方向擴(kuò)展。由于管出口距消力井底板距離較小,射流擴(kuò)散效果不明顯。另外,不同放空管射流核心區(qū)和擴(kuò)散區(qū)的發(fā)展基本上相互不受影響。射流水股觸底后向四周發(fā)散,在射流水股相互作用和消力井邊壁約束下,在消力井底部形成旋流、水流對(duì)沖等現(xiàn)象。消力井下部是水流消能的主體部位。在消力井中上部,斷面流速分布呈現(xiàn)中間小、周邊大的特征,這種流速分布的不均勻程度隨著排水流量的增大而加劇,流場(chǎng)更顯紊亂,如圖2所示。

圖2 消力井底部流速矢量圖

(2)壓力分布。消力井內(nèi)壓力上小下大,呈現(xiàn)良好的靜壓分布特點(diǎn),如圖3所示。受射流沖擊作用,底板沖擊區(qū)局部壓力明顯較大,并向四周迅速降低坦化,如圖4所示。由于放空管出口離底板較近,水流擴(kuò)散不明顯,沖擊區(qū)壓力較大,范圍較小。隨著放空管閘閥消能率的降低,消力井底板沖擊壓力隨之增大,計(jì)算底板最大沖擊壓力分別為172kPa(工況2)、325kPa(工況1)。

圖3 消力井壓力分布

圖4 消力井底板壓力分布

消力井底板對(duì)沖軸線的壓力分布如圖5、圖6所示,可以看出沖擊區(qū)壓力呈明顯的雙峰分布,且射流沖擊區(qū)與放空管出口相比,有微小偏移,其根源是彎管引起管內(nèi)高流速區(qū)的變形與偏移,進(jìn)而影響射流核心區(qū)的發(fā)展變化。

圖5 閘閥消能率為60%時(shí)消力井底板對(duì)沖軸線的壓力分布

圖6 閘閥消能率為90%時(shí)消力井底板對(duì)沖軸線的壓力分布

(3)放空流量及消力井消能率。不同工況放空流量、放空管流速及消力井消能率如表2所示。消力井消能率計(jì)算公式如下:

表2 計(jì)算結(jié)果主要參數(shù)

式中:Ein為進(jìn)口斷面總能(重力勢(shì)能+動(dòng)能);Eout為出口斷面總能,按上式計(jì)算的消能率實(shí)際包括了放空管彎曲段和溢流涵洞的消能效果。計(jì)算得工況1、2放空流量分別為4.1m3/s、2.0m3/s,消力井消能率分別為95%和94%,可見消力井整體消能效果良好,計(jì)算工況下均達(dá)到90%以上。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,放空系統(tǒng)閘閥的消能率越低,其放空流量越大,隨放空流量增加,放空管出射水流對(duì)消力井底板的沖擊壓力顯著增大。放空管高流速位置主要發(fā)生在彎管處,若流速過(guò)高將會(huì)因水流分離誘發(fā)空化,可能發(fā)生空蝕破壞、振動(dòng)及噪聲等不利現(xiàn)象,因此放空系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置消能率較高的閘閥裝置,以降低出口彎管段的水流流速。

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