【摘要】：鑒于傳統(tǒng)模型試驗對豎井內(nèi)旋轉(zhuǎn)水流的流速測量難度較大,采用Realizableκ-ε雙方程紊流模型,并結(jié)合VOF法,對某一超高水頭大泄量豎井旋流泄洪洞進(jìn)行數(shù)值模擬,對比分析了水流流態(tài)、空腔直徑、井壁壓強(qiáng)及旋流角等水力要素的模型試驗和數(shù)值模擬結(jié)果,在此基礎(chǔ)上,計算了不同斷面的能量大小,獲得了豎井旋流泄洪洞各部位的消能形式及消能率分布。結(jié)果表明,豎井起始部位主要消去旋轉(zhuǎn)水流的切向動能,占總能量損失的6.19%;中間部位主要消去旋轉(zhuǎn)水流的位能,占總能量損失的21.18%;下半部位利用環(huán)狀水躍及水墊池消去旋轉(zhuǎn)水流大部分的剩余能量,占總能量損失的58.69%。
【圖文】：

１９６８－），，女，副研究員，研究方向為工程水力學(xué)，Ｅ－ｍａｉｌ：９５４５９０２８３＠ｑｑ．ｃｏｍ１工程概況某水利樞紐工程位于青海省班多峽谷內(nèi)，為一等大（１）型工程，壩址以上流域面積１０７４２０ｋｍ２，多年平均流量５６３ｍ３／ｓ。該工程樞紐由面板砂礫石壩、左岸電站進(jìn)水口、引水隧洞、地下廠房系統(tǒng)、尾水調(diào)壓室、尾水洞、左岸豎井旋流泄洪洞、右岸開敞式溢洪道及放空洞等建筑物組成，豎井旋流泄洪洞又包括短壓進(jìn)水口、上游引水道、渦室、豎井、壓坡段、下游導(dǎo)流洞等，見圖１。水庫正常蓄水位２９９０．００ｍ，總庫容４７．０２×１０８ｍ３，電站面板砂礫石壩最大壩高２５７．５０ｍ，壩頂高程３００１．５０ｍ，豎井旋流泄洪洞最大泄量１４８２ｍ３／ｓ。圖１豎井旋流泄洪洞示意圖Ｆｉｇ．１Ｓｋｅｔｃｈｏｆｖｏｒｔｅｘｓｈａｆｔｓｐｉｌｌｗａｙ對豎井旋流泄洪洞的水力要素已做了大量水工模型試驗［１～３］，對旋流空腔、流態(tài)、壁面壓強(qiáng)分布、旋流夾角、消能率等均有了較為深刻的認(rèn)識，但由于試驗測量手段的局限性及豎井內(nèi)旋流水流流態(tài)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)模型試驗很難獲得豎井內(nèi)部的流動參數(shù)［４］，且在超高水頭、大泄量條件下豎井內(nèi)水流流態(tài)更為復(fù)雜，因此采用數(shù)值模擬方法探討豎井旋流泄洪洞的消能機(jī)理對其體型優(yōu)化至關(guān)重要。鑒此，本文以ＦＬＵＥＮＴ１５．０為平臺，結(jié)合積累的經(jīng)驗［５，６］，采用Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅκ－ε紊流模型和ＶＯＦ法對一超高水頭大泄量豎井旋流泄洪洞在設(shè)計工況下的水力要素進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過與試驗結(jié)果對比驗證了數(shù)值模擬的可行性，進(jìn)而利用模擬結(jié)果對豎井不同斷面的

定義豎井中心線與下游導(dǎo)流洞底板延伸面（高程為２７５７．７５ｍ）的交點(diǎn)為計算區(qū)域的坐標(biāo)原點(diǎn)，ｘ正方向與下游導(dǎo)流洞內(nèi)水流方向一致，ｚ正方向沿豎井向上。上平段為矩形斷面（７ｍ×１４ｍ），渦室進(jìn)口采用方程為ｘ２／２７．０２＋ｙ２／１５．２２＝１的橢圓曲線，渦室直徑１８ｍ，豎井直徑１３．５ｍ，下游導(dǎo)流洞為城門洞型（１３．５ｍ×１４．０ｍ，頂高２．５ｍ）。模型材料采用有機(jī)玻璃以便于流態(tài)觀察。３．１水流流態(tài)豎井旋流泄洪洞的水流流態(tài)見圖２。由圖２可知，數(shù)值模擬的流態(tài)與模型觀測較為相似，壩內(nèi)水流經(jīng)短壓力進(jìn)口平穩(wěn)進(jìn)入上游引水道，在引水道與渦室的連接處發(fā)生向上游蔓延的水躍，這主要是由于引水道與渦室連接處的外邊壁為橢圓曲線，沿水流方向隨著橢圓曲線的收縮，過水?dāng)嗝鏈p小，此外渦室內(nèi)旋轉(zhuǎn)水流與進(jìn)口入流發(fā)生撞擊。加入折流坎和導(dǎo)流坎后，不僅避免了引水道的入流與渦室的旋轉(zhuǎn)流直接碰撞產(chǎn)生水躍，而且增加了水流的旋轉(zhuǎn)角動量，提高了壁面壓強(qiáng)。進(jìn)入渦室的水流在離心力作用下發(fā)生擴(kuò)散，水流向渦室頂爬升，但不影響通氣孔通氣�？涨回炌ㄕ麄€渦室及豎井直到環(huán)狀水躍處，存在偏心現(xiàn)象，且隨水流旋轉(zhuǎn)發(fā)生擺動。在旋轉(zhuǎn)過程中，空腔直徑逐漸增大，水流的切向流速減小，軸向流速增大，在靠近環(huán)狀水躍處，由于切向流速較小，水流幾乎垂直撞擊環(huán)狀水躍，因此在環(huán)狀水躍處，水流紊動較為劇烈。整個渦室段水流呈乳白色，摻氣明顯，流態(tài)比較穩(wěn)定，摻氣水流從渦室進(jìn)入豎井及水墊區(qū)，隨后以有壓流的形式經(jīng)壓坡流出。圖２豎井旋流泄洪洞的水流流態(tài)示意圖Ｆｉｇ．２Ｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｏｆｖｏｒｔｅｘｓｈａｆｔｓｐｉｌｌｗａｙ圖３

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