2.5　前池流态改善Y型导流墩整流机理

采用数值模拟的方式模拟Y型导流墩的整流机理,分析研究Y型导流墩在不同设置位置和几何参数下对改善前池流态的影响。

2.5.1　数值计算方法

采用Realizable k-ε模型和SIMPLE算法进行求解流速场分布。

进口取在进水涵洞入口,本文研究中给定进水涵洞的流量,进口边界设为质量入口。由于前池内水面波动不大,采用刚盖假定,简化为对称边界条件。由于出口流动已成单向状态,为自由出流,选用outflow。壁面边界条件采用标准壁面函数。

2.5.2　前池和Y型导流墩主要参数

研究区域如图2.10所示,包括涵洞、前池、进水池和吸水管。其中前池相关参数包括前池宽度B,吸水管直径D 0,测速断面1-1距进水池0.4 3 8 D 0。拟研究的Y型导流墩如图2.11所示,其主要参数包括高度H,长度L,宽度D和角度θ,Y型导流墩至进水池距离X。

2.5.3　Y型导流墩整流机理

当水流流经Y型导流墩时,由于Y型导流墩两翼的作用,水流会分开,沿Y型导流墩张角方向扩散,漩涡的位置会前移;与此同时,Y型导流墩尾后的水流会产生回旋,范围受Y型导流墩的大小、角度、高度影响(图2.12)。Y型导流墩表面以上的水流也会产生轻微的分流现象。行近流速会由不均匀分布向均匀分布过渡(图2.13)。

2.5.4　研究方案

为了深入研究Y型导流墩位置及几何参数的影响,分别研究了13个方案(见表2.2)。首先分析无整流措施的方案1;而后分析比较Y型导流墩位置对前池流态的影响(方案2～方案4);再分析比较不同Y型导流墩高度对前池流态的影响(方案5～方案7);接着分析比较不同Y型导流墩角度对前池流态的影响(方案8～方案10);最后分析比较Y型导流墩长度对前池流态的影响(方案1 1～方案1 3)。为了定量分析,选取1-1断面为行近流速测量断面。

2.5.5　计算结果及分析

1.无整流措施前池计算流态

任何整流措施的前池流态不良,前池左右两侧出现与前池长度近乎相等的漩涡;由于两侧水流存在大尺度回旋,逼近进水池,站前行近流速分布很不均匀。

图2.14为流线图,图2.15为行近流速分布图。由图2.15可知,数值模拟结果的变化趋势及数值大小与实验结果呈现出一致性,这表明数值模拟结果基本可信。

2.Y型导流墩位置

从图2.16～图2.19可知,当Y型导流墩位置过于接近涵洞时(方案2),其分流效果较为明显,但前池中间的水流出现大尺度的回旋,对进水池流态产生不利影响;当Y型导流墩位置过于接近进水池时(方案4),Y型导流墩尾部漩涡影响到了进水池;当Y型导流墩位置恰当时(方案3),进水池前侧的流态获得更均匀分布。由图2.19可知,方案3和方案4中进水池前的行近流速分布较为均匀。上述3种方案中从位置参数看,方案3整流较好。

3.Y型导流墩高度

从图2.20～图2.23可知,当Y型导流墩高度较低时(方案5),行近流速分布相对均匀,但是前池两侧的回流区较大;当Y型导流墩高度适中时(方案3,Y型导流墩高度H=2/3h),流态和行近流速分布都比较均匀;当Y型导流墩高度较高时(方案6),虽然两侧的回流区变小,但是导流墩后尾部漩涡比较大,1-1断面行近流速分布不均匀,影响进水池进水。因此从高度参数角度看,方案3的整流效果优于其他方案。

4.Y型导流墩尾部夹角

由图2.24～图2.27可知,当Y型导流墩尾部夹角较小时(方案8、9),虽然进水池前的行近流速比较均匀,但是前池两侧漩涡越大;当Y型导流墩尾部夹角适中时(方案3,θ=120°),两侧回流区相对变小,行近流速相对均匀;当Y型导流墩尾部夹角较大时(方案10),两侧回流区明显变小,但是Y型导流墩尾后漩涡较大,行近流速分布变得不均匀。从角度参数看,方案3整流效果较好。

5.Y型导流墩长度

由图2.28～图2.31看出,当Y型导流墩长度较小时(方案3、11),两侧回流区相对较大;当Y型导流墩尺寸适中时(方案12),前池两侧回流区减小,Y型导流墩尾后的漩涡对进水池影响不大;当Y型导流墩长度增大时(方案13),对比流线图可以看出,Y型导流墩尾后漩涡较大,影响进水池进水,整流效果不明显。从长度参数看,方案12优于其他方案。

由于方案3和方案12只有长度长度参数不一样,所以在单个Y型导流墩整流的案例中,方案12为最优方案。