孔板消能问题数值研究

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1、孔板消能问题数值研究A辑第24卷第3期2009年5月水动力学研究与进展CHINESEJOURNALOFHYDRODYNAMICSVo1.24.No.3May,2009文章编号:10004874(2009).03.0358.06孔板消能问题数值研究冰何宁1,2,3,赵振兴,2(1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,南京210098,Email:chinahening;2.河海大学环境科学与工程学院,南京210098;3.高能物理研究所实验物理中心,北京100049)擅要:孔板消能是一种新型的内消能方式,其消能机制仍需进一步研究.已有的定性研究表明消能系数的主要影响因素为:雷诺数

2、R,孔径比d/D和孔距比L/D.运用标准k-e模型进行数值模拟定量研究各影响因素的作用发现:对于不同孔径比的模型,当Re<10时,随RP增加而急剧增加;而当Re>10时,流动可视为充分发展的紊流,K渐趋于稳定;孔径比越小,消能系数和漩涡区长度L1越大,且变化函数关系可视为直线分布;当孔距比L/D<5时,总消能系数随孔板间距离增加而显着增加,而当孔距比L/D>5时,总消能系数趋于稳定,L对的影响可以忽略.使用孔板在管道内产生突扩水流,可以在较短的时间和距离内消除较多的能量.关键词:孔板消能;紊流模型雷诺数;孔径比;孔距比中圈分类号:TV131.4文l-I标识码:AlTl-

3、1JJamericalresearch0noriticeenergydlSSlDatl0nHENing厶.ZHA0Zhenxingf1.MinistryofEducationKeYLaboratoryIntegratedRegulationandResourceDevelopmentonShallowlakes,HohaiUniversity.NanJing210098,China;2.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing,210098,China;3.ExperimentalPhysicsCen

4、ter,InstituteofHighEnergyPhysics,ChineseAcademyofSciences.Beijing,100049,China)Abstract:Orificeenergydissipaterisanewenergydissipationmethod.Itsmechanismhasnotbeenfullyunderstoodyet.Onthebasisoftheformerstudies,themainfactorsthatinfluenceKareidentifiedasReynoldsnumber,Re,andtheratioofd/D,andtheratio

5、ofD.Numericaisimulationswereconductedwithak-etwoequationturbulencemode1.Thecalculatedresultscanbeidentifiedasfollows:Fordifferentratioofd/D.whenReissmallerthan10.theorificeenergydissipatercoecientKincreasesrapidlywiththeincreaseofRe.enReislargerthan10.theflowcanbeconsideredasfu11turbulentflowandKisg

6、raduallystable.ThesmallerofD.thelargerofL1andThefunctioncurveshapewhichCanbeapproximatedasastraight$收稿日期:20081125(2009.03.04修改藕)作者简介:何宁(1981一),男,河北吴桥人,助理工程师何宁,等:孔板消能问题数值研究line.IfL/Dissmallerthan5,thetotalKincreasesrapidlywiththeL/Dincreasing;whilewhenL/Dislargerthan5,thetotalKbecomesstablegradually.

7、LalmosthasnoimpactonthevalueofK.Usingsharp-edgedorificetogeneratesuddenenlargementsintunnelflow,largeamountofenergycanbedissipatedinashorttimeandasmalldistance.Keywords:orificeenergydissipation;k-etwoequation;Reynoldsnumber(Re);ratioofd/D;ratioof/JDl概述随着水利水电事业的快速发展,我国在高水头大流量泄洪内消能的研究和应用方面达到了世界领先水平,例如

8、小浪底水利枢纽采用的多级孔板消能方式,在世界坝工史上属于首创,可谓是上世纪最具挑战性最宏伟的水利工程.孔板消能是一种新型的内消能方式,它是利用孔板的收缩效应,使得水流在流经孔板时,流线突然变化,孔板下游漩涡区的水流产生强烈紊动,混掺和内部剪切作用,从而使一部分能量转化为热能,达到泄洪洞内消能的目的.孔板消能主要是靠能量耗散可分为两种途径:一是通过孔板环附近的压力聚降及强烈脉动消能L2J;二是通过孔板剪力流的剪切作用消能.与传统消能方式对比,具有结构简单,流态稳定,水流参数易于控制等许多优点.目前对这一问题的研究多数是物理模型,数学模型研究尚少,很多问题还没能很好的解决,本次研究方法采用数学模型

9、,主要研究消能系数的影响因素.2控制方程和边界条件2.1控制方程泄洪洞中的水流为三维不可压缩流动,用不可压缩流动的雷诺时均方程组和标准s紊流模型【3JI】联合求解,控制方程使用有限体积法离散求解,速度压力耦合采用PISO51算法.控制方程可写为下列形式:(1)连续性方程:望+O(pui):o(2)动量方程:+音c=一Op卞十MOui+)(3)方程:(4)方程:+O(Puie):+丝)+dtx;xodx.其中:359(2)(3)丢(4)=(磬Ox+)Ox,:等:dx:式中:Uf为速度分量,而为坐标分量,p为水的密度,P为压强,是动力黏度,k为紊动能,s为紊流耗散率,为紊动黏度系数,为紊动能产生项

10、.模型中的常数取通用值:Cl1.44,c21.92,C=O.09,紊动能与耗散率s的紊流普朗特数分别为=1.0,=1.3.2.2边界条件(1)进口边界条件:采用管道水流速度进口1,并且给出紊动能(和紊动能耗散率(s)的边界值;(2)出流边界:在出口边界认为水流已充分发展,按均匀流条件给出各变量的边界条件6;(3)壁面边界条件:采用壁面函数处理和无滑移条件.一=一甓一一件l寺360水动力学研究与进展A辑2009年第3期影响因素和模型建立3.I影响因素一般定义孔板消能系数L7为:K=M4/(vZ/2g),为水头损失,按孔板上游0.5D和下游2.5D两水流恢复断面水头差计算;g为重力加速度;v为孔口

11、处平均流速.采用量纲分析法简化问题,提出孔板消能系数的函数关系式为:K=f(Re,d/D,L/D),式中各量为(图1):Re为雷诺数;diD为孔板孔径d与泄洪洞直径D的比值,称为孔径比;L/D为两孔板间距L与泄洪洞直径D的比值,称为距径比,可知消能系数的主要影响因素为雷诺数RP,孔径LLd/D:J距径LLID.由此就建立了雷诺数模型,孔径比模型和孔距比模型.(1)雷诺数模型本文建立的理想雷诺数模型为:有压管道单孔板模型管内径D=14.5cm,孔板孔径d按d/D=O.60,0.65,O.7O,0.75给定,孔板厚2cm,锐缘夹角为30.孔板前连有长50cm的直圆管段,可使孔板前的来流得到充分发展

12、,在孔板后接长50cm的直圆管段,RP的变化范围为1O10.为了使数值计算结果更具有实际参考价值,把理想雷诺数模型的尺寸单位改为米,孔板孔径比仍为d/D=O.60,0.65,0.70,0.75,本文称这个模型为实际雷诺数模型,尺的变化范围为10一l0.(2)孔径比模型把实际雷诺数模型中的变量雷诺数改为孔径比diD,使得R作为常量,而d/D作为变量,速度给定为6.92m/s,相应的Re为10,d/D的变化范围为0.50.8.(3)孔距比模型有压管道双孔板模型管内径D=14.5m,孔板孔口直径d=10m,孔板厚2m,锐缘夹角为30.在一级孔板前连有长50m的直圆管段,使孔板前来流得到充分调整,在二

13、级孔板后接长50m的直圆管段.进口速度给定为6.92rn/s,相应的Re为l0.在固定孔板形状和位置的前提下,孔距比L/D的变化范围为0.510.0.图1d,D和L示意图3.2建立验证模型4计算结果分析利用小浪底水利枢纽l多级孔板泄洪洞的原型试验结果对数值模拟的结果进行验证.为了考虑龙抬头段对流态的影响,将龙抬头段与孔板段一起进行计算,下游截至中闸室前的渐变段.龙抬头L8J进口洞径为12.5m,逐渐扩大到l4.5m,孔板段洞径为l4.5m,孔板厚度为2m,l衍L板内径为10m,2#113衍L板内径为10.5m.三个孔板的上游根部均加一个1.2m1.2m的环形贴角【9】,孔板顶部削角均为30.,

14、两孔板之间长度均为3倍洞径.1衍L板和2衍L板之间为1甜肖能室;l衍L板和L板之间为2绷能室;3衍L板至末端为3辨肖能室.按1号孔板泄洪洞第一次过流试验的条件和参数进行计算Ll:水库上游水位高程为210.22m,流量为1288m/s,洞内平均流速为7.8m/s.3.3建立模型建立模型时,为研究三个变量(雷诺数Re,孔径比d/D和距径比)的影响,把所研究的某一变量作为唯一变量,而其余两个变量设置为定值,4.1验证模型结果从表l可以看出,数值模拟结果与原型试验结果基本相符,说明本文数学模型方法研究孔板消能特性是可行的,可以用于孔板消能特性的研究.在此基础上,应用数学模型进一步对雷诺数模型,孔径比模

15、型和孔距比模型的消能特性进行分析研究.4.2模型计算结果4.2.1雷诺数模型计算结果:(1)理想雷诺数模型计算结果图3显示了雷诺数尺与消能系数的关系,在Red10时,流动还不是充分发展的紊流,不同孔径比孔板随Re增加而急剧增加;而Re>10时,流动可视为充分发展的紊流,不同孔径比孔板的渐趋稳定,流动状态的变化对消能系数的影响非常小,此时可以忽略R变化对的影响.何宁,等:孔板消能问题数值研究甄丝图2孔板泄洪洞模型图裹1屎型试验结果与数值模拟结果图3理想模型中雷诺数P与消能系数的关系图4实际模型中雷诺数与消能系数的关系(2)实际雷诺数模型计算结果在图4中,不同孔径LLTL板的消能系数随雷诺数

16、增加而增加的幅度很小,各孔径比模型在R是l0的水流状态下的均约是为10的水流状态下的的93.6%,进一步验证了理想雷诺数模型的结果.定义孔板后旋涡区长度L1(图5)的范围为孔板后壁到回流速度为零的点之间的距离.361由图6可见,各孔径比孔板后旋涡区长度均随着雷诺数R增加而增加,增加的幅度随R已增加而逐渐减弱.Re越小,1越小,漩涡区与主流区交界面的剪切作用和动量的交换越弱,从而K越小;相反,RP越大,L,越长,漩涡区与主流区剪切作用和动量的交换越激烈,从而越大.4.2.2孔径比模型计算结果图7显示了孔径比d/D与消能系数的关系:362水动力学研究与进展A辑2009年第3期d/D越小,越大,d/

17、D越大,越小,随d/D的变化而剧烈变化.从消能机理方面来考虑:漩涡区是孔板消能的关键区域,d/D越小,L1越长,孔板后漩涡区与主流区的动量和能量交换越多,水流损失的能量也就越多,从而也就越大;反之,d/D越大,L越小,孔板后漩涡区与主流区的动量和能量交换越少,水流损失的能量也就越少,从而也就越小.2624z220218l61412lO图5Ll示意图024681O10?Re图6雷诺数RP与旋涡区长度L1的关系2.O1.81.61.41.2l_O0.80.60.5oO.550.600.650.700.750.80d?D图7孔径比d/D与消能系数的关系图8显示了孔径比diD与孔板后旋涡区长度L1的关

18、系:不同孔径比的模型对应的L1均随着d/D的增加而减小,与图7相对照可以发现1和两者随d/D的变化趋势是一致的,进一步说明了漩涡区是的主要影响区域.图8孔径比d/D与旋涡区长度L1的关系4.2.3孔距比模型计算结果图9显示了距径比L/D与消能系数的关系,当L/D<5时,L小于水流的恢复长度,流速,压力尚未完全恢复就进入下一孔板,流动很不稳定,限制了二级孔板的消能作用,此时随着L/D增加而增加的速率很快;而当L/D>5时,L已达到水流的恢复长度,孔板起到充分消能的作用,L1已基本稳定,基本为一常数.L/D=3时的约为L/D=5时的95.7%,说明L/D=3时,消能效率可以满足工程要求

19、.2.01.8l_61.4l_21.o0.8:/厂/_图9距径比L/D与总消能系数的关系从L/D=3开始,一级孔板消能系数基本稳定在1.23,此时总消能系数的变化主要取决于二级孔板.由图10可见,二级孔板消能系数随增加而增加,当L/D>5时,二级孔板消能系数基本不再变化,从而使得整个消能系统的消能系数趋于定值,LID的变化对的影响很小.何宁,等:孔板消能问题数值研究图1O距径比L/D与二级孔板消能系数的关系5结语本文主要结论如下:(1)用s紊流模型来研究孔板消能的流场是可行的,获得了模型试验中较难测得的详细的流场特征,与物理模型相互补充,印证,可以更为深入的研究孔板消能内部机理.(2)在

20、充分发展紊流的情况下,消能系数随着雷诺数e增加而增加的幅度非常小,以至于可视为消能系数再随增加;消能系数,I逋孔径Ld/D的变化而剧烈变化,d/D越小,大,消能效果越好;diD越大,小,消能效果越差.当距径,L/D>3时,一级孔板消能系数基本不在变化,当L/D>5时,二级孔板消能系数趋于某一常数,从而使得整个消能系统的总消能系数基本稳定.参考文献:【1】【2】【3殷保合,黄河小浪底水利枢纽工程(第二卷:枢纽设计)【M】.北京:中国水利水电出版社.2004.YinBao-he.XiaoLangDiWaterPowerProject(Vo12:Hydroprojectdesigning

21、)【M】.BeiJing:ChinaWaterPowerPress.2O04.SS.XIANG工WUB.InvestigatingtocavitationbehavioroforificetunnelC1.ForthInternationalSymposiumonCavitation,2001,Pasadena,California沙海飞,吴时强.泄洪洞有压段体型优化的三维数值【4】5】【6】【7】【8】【9】363模拟J.水动力学研究与进展,A辑,2004.19(12):942.947.SHAHaifei;WUShiqiang.3Dnumericalsimulationofspillwayt

22、unnelflowJ.JournalofHydrodynamics,Ser.A,2004.19(12):942947.QUJingxue,XUWeilin,YANGYongquan,eta1.NumericalsimulationofflowthroughorificeenergydissipatorsinXiaolangdiFlooddischargetunnelO.J.Hydrodynamics,Ser.B,2000,12(3):41-46.张晓东,刘之平,高季章,等.竖井旋流式泄洪洞数值模拟J】.水利,2003,(8):58.63.ZHANGXiaodong;LIUZhiping1;GA

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