基于CFD模型的坝底出口水动力特性及空泡分析

抽象的

底部出口是坝体的显着结构，负责控制储层沉降的流速，操作或去除。服务门控制出口流速，并且只要该门出现故障，就使用位于上游的紧急栅极。空化现象是由于流动传递快速的常见底部出口问题之一。本研究是通过使用流3D软件和RNG的不同栅极开口的大坝底部出口中流动模式的数值研究k-ε.湍流模型。调查是在伊朗伊斯法罕(Isfahan)的萨达布大坝(Sardab Dam)进行的。100%闸板和Howell Bunger阀在闸板下段的最大速度约为18m /s, 40%闸板的最大速度为23.1 m/s。当阀门上游区域的应用闸板和应急闸板开启50%时，所需的压力值降低。此外，在两个应急门和服务门之间的区域，压力值降低。安装曝气器可以减少该区域出现空化现象的可能性。萨达布大坝底部出口水流形态相对稳定、条件适宜，隧洞内不存在局部涡、压力、速度等不良水力现象，水流进入支路的临界区域不存在水流分离现象。

1.介绍

底部出口被用作大坝的液压结构之一，以控制储存蓄积，在紧急情况下的储存器疏散，以及去除进入储层的沉积物。因此，它们需要仔细设计和有害因素识别[1］．另一方面，为了确保通道的适当操作，其相关的液压和流体机械装置，包括闸门和阀门，应仔细检查流量放电容量以及执行液压模型测试[2］．通过研究大坝终端门的失效原因，已经确定了空化现象和门振动是损坏的主要原因，因为在气泡塌陷的区域中，压力波动强度提高了[3.- - - - - -8］．在底部出口处，两相空气流动以高速传递。由于流量的划分及其从加压流向自由表面流动的转换，发生浇口下游压力值的急剧损失。空化是由于这种负压而发生的破坏性现象之一。通常采用曝气管曝气管以控制这种现象[9- - - - - -12.］．

Sadat Helbar等人。（2021）研究了底部出口栅极的尺寸和形状，影响流出放电和冲洗效率。他们的研究目的是研究面积，形状和底部出口栅极的效果对沉积物的速度和浓度[13.］．

在这些结构中，由于高速流动和通道的水位波动，流动可以与通道的壁分离，并且流量可以在本地减小。如果流量压力小于水蒸气压，则水状态从液体转移到气体，并且气泡形式。流动可以将气泡携带到更高的压力区域以崩溃，并且负压波进入流动。如果气泡在墙面附近爆炸，它们会损坏通道的墙[14.- - - - - -16.］．杨等人。（2020）在3D CFD模型上工作以显示水空气流动行为。空气需求在流动案件之间变化很大。它不是同时放电，导致最大的空气需求[17.］．

服务浇口的下游区域、应急浇口和服务浇口之间的区域，以及在气流中形成不均匀表面的浇口槽，具有最大的汽蚀风险[18.，19.］．空化指数是局部压力和流速的函数，是评估空化潜力的基本参数[20.］．Daneshmand等。（2007）实验研究了Sivand Dam底部出口不同服务闸门开口的流动的液压特性。他们的研究表明，紧急栅极狭缝中的流动湍流量增加，服务闸门开口从上面的85％开口，并且所有开口中的空化指数也大于临界限制[21.］．两种空化指标控制方法通过改变结构几何和流动曝气来控制空化损伤[22.］．kavanpour(1997)进行了试验，确定曝气对下游斜坡压力波动的影响。他们的结论是，进气减少了严重的压力波动，提高了平均值，从而降低了空化的可能性。他们还研究了流动曝气对压力场结构的影响，包括波动的能谱、波动的偏态、波动的锐度以及负压波动的风险降低。本研究表明，曝气改变了压力场的结构[23.］．Khazaei等(2015)对Rudbar Lorestan大坝底部进水口的空化现象进行了数值模拟和实验室研究。研究表明，将航道的坡度改变10 - 12%，将航道的长度改变1 - 3.5米，并将航道壁的坡度降低1 - 2度，可以很好地消除空化风险[24.］．

阮等(2007)在实验室中对苟皮滩大坝底泄洪道底部使用的曝气器进行了水力性能检测。结果表明，在曝气后通道坡度减小的情况下，进入流的进口空气流量增加。这种修正对保护泄流通道不受空化破坏有有效作用[25.］．Wu等人。（2007）研究了各种服务闸门开口的流量压力，水导电系数和下游流动轮廓等液压参数，在实验室中的龙天坝的底部出口中不同的上游通道头。结果表明，沟道栅极下游的流量底部的压力值随着服务闸门开口的增加，小且大的水传导系数高于中间开口[26.］．Li et al.(2020)利用数值模型和实验室模型研究了控制闸门开启对压力分布和空化指数的影响。他们以45度的边角和门的长宽比为2(保持门高不变)为基本假设，对2米、3米、4米不同的控制门进行了10、30、50、100%开度的研究。结果表明，在控制闸门开度为10%和100%时，空化指数较高，因此在闸门开度为30%、50%和70%时，空化概率较高[27.］．

Nikseresht等(2012)采用三维有限体积法对Sefidrud大坝底进水口5号进行了模拟，结果表明，隧洞内压力最低时为应急闸门开启20%，此时空化指数低于临界值。建议使用曝气来消除空化的危险。它试图通过使用适当的曝气系统来分离沿隧道的高速水流。那么，当空化风险减小时，隧道衬砌内就可以实现流动[28.］．在该项目中，渠道的液压性能及其几何校正被评估用于在其开口的不同状态下进行深度去除栅极的正常运行。由于深拆卸栅极将流量分成两部分，因此具有农业灌溉阀的控制器和通过分支具有滑动阀的控制器，已经考虑了不同功能状态的研究。单阀操作，单服务门功能和Howell Bunger阀和服务门同时操作是该项目的目标。接下来，将完成渠道在不同商定的情况下的液压操作，并将进行数值模型，结论将进行。

1.1。流动3D模型和控制方程

一般水工建筑物、溢洪道、消能系统的流场数值模拟是水工建筑物设计的关键。研究人员在此类仿真中的经验表明，Flow-3D软件在现有软件包中具有更好的建模这类水工结构的能力。Flow-3D为工程师在广泛的工业应用和物理过程中研究液体和气体的动态行为提供了一个完整和通用的CFD模拟平台。Flow-3D水力分析的一个重要特征是它能够模拟自由表面流动，这是使用Hirt和Nichols(1981)报告的VOF(流体体积)技术建模的[29.］．VOF是一种平流方案，一种允许程序员跟踪界面形状和位置的数值配方，但它不是一种独立的流解算法。另一方面，可以考虑流体运动的控制方程，其中包括假设不可压缩流动和恒定流动的控制体积的连续性方程(式1））考虑湍流（方程（方程）的控制体积内的动量方程2)) (30.］． 在哪里是流体的密度;和是笛卡尔坐标;和是速度矢量的笛卡尔部件 ； 是压力;和平均雷诺应力张量。

双等式模型重新定化组（RNG）k-ε.用于确定湍流动量方程中的雷诺应力张量。该模型的方程如下：

湍流动能方程K：

湍流动能消耗率方程 ：

在上面的等式中，α._k和α._ε.逆普朗特数对吗和 ，分别。和分别为值为1.42和1.68的常数;是有效的粘度。RNG之间的主要区别k- - - - - -ε.型号及标准k- - - - - -ε.模型是RNG模型有一个额外的术语， ，显着提高了快速紧张流动的准确性。

2.材料和方法

2.1。Howell Bunger阀门Sardab Dam's Outlet频道的案例研究

伊朗萨达布河上修建了萨达布大坝。坝址海拔2712米，库区面积270公顷，总库容4800万立方米(见表)1）.

具有尺寸的两个滑动门（服务和紧急）（高度*宽度）1.4×1.1 m位于大坝底部通道内的一排。Sardab Dam底部出口的几何细节如图所示1．

２.２.在闸门操作期间通过通道的流量

为了计算频道流速，假设栅极完全打开，借助伯努利的方程并考虑信道丢失，我们有 在哪里(m^3./s)为体积流量;(m/s)为参考面积内的速度;(m²)为横截面参考面积;（多发性硬化症²)为重力加速度;（m）是头部;为损耗系数;和是流出部分中的损耗系数。

在通道的不同部分中，为了计算总头部损耗和总流量，应选择一个部分作为参考，并且栅极下的位置被认为是参考部分。

头部损失是转换为动能的潜在能量。头部损耗是由于底部出口系统的摩擦阻力（阀门，栅极，配件，管道，入口，退出损耗等）。计算总头部损失，我们有 在哪里(m/s)为各截面的速度;(m/s)为参考面积内的速度;和（m）是头部损失。

由于45度角的收缩系数是约0.95。

在上面的等式中，(m²）是输出横截面积，(m²）是横截面参考区域，和ε.为截面压缩函数的收缩系数。

根据所说的理论问题和等式（5) - (7），通过通道的最大体积流量估计为26米^3./ s（参考面积的速度为18.9 m / s）。桌子2和图2显示不同开口和头部的流速。

２.３.数值模型

Flow-3D的第一个特征是它采用了用于网格的高度可变的矩形网格系统。该特性使得栅格或几何形状彼此可分离。简化术语，它不利用连接到几何形状或有限元的固定研磨系统。还可以使用多个网格系统来提高网格中的效率和灵活性。整个出口流动刚体设计有三维的所有细节，通过SolidWorks软件，以模拟流动 - 3D软件中的底部出口的液压条件（图3.和4）.值得注意的是，隧道的长度和上游增加了5倍的直径(7米)，以创造一个充分发展的水流。

为了用分支阀覆盖出口的整个刚体，应选择网格，使得在通道区域中尽可能少的空间作为空间。下图显示了网格的细节（12825258个细胞），计算单元和底部出口边界条件。应该注意的是，流动3D数值模型的元素是长方体元素类型。在每个方向的网状块1,2,3和4中的细胞的大小（X，y，和Z）分别为2.3,2.3,3.7和2.1厘米。显着影响增加计算精度的问题之一是确定适当的边界条件。在笛卡尔坐标中定义边界条件有六个不同的方面，根据轴的正方向包括X_闵，X_马克斯，Y_闵，Y_马克斯，Z_闵,Z_马克斯．值得注意的是，所有这些规范都定义在一个块中，并且必须在几个块的情况下为每个块定义单独的边界条件（图5和6）.向每个方面应用边界条件的机制使得在将每个状态分配到一个方面之后，该方面的所有单元输入都以上述边界条件进入方程。这在求解方程的不同时间来固定并运行软件。压力可以定义为压力或滞留压力。流体量也可以被指定为流体分数的百分比或软件的流体高度。可以在软件中输入所有三个方向的流体速度。该软件还可以将上述每个参数接收为时间序列[31.- - - - - -33.］．

在本研究中，对5个不同大小的细胞进行网格敏感性分析。桌子3.给出了100%闸阀开度时参考区域内速度的网格灵敏度分析结果。可以看出，如果网格尺寸小于主网格尺寸，并不影响模拟的准确性;如果网格尺寸大于主网格尺寸，误差会增加两倍左右。

3。结果与讨论

３.１.用Flow-3D软件评价数值模拟结果

为了评估数值模型结果的校准和验证在不同的底部出口门开口,手工分析的输出流量应与输出流量数值模型的相同应用头条件使用解析解在前面几节(图执行7）.在提到的破坏性现象中，流速，速度，水流体动力学压力，进入流动的空气速度等参数，以及水深是有效的。通过测量这些参数中的一些，可以防止它们在发生故障之前发生[34.］．此外，由于控制方程式的性质，必须利用固定边界条件开始流动分析，以便最终流动在模型中合适的时间达到稳定状态。将数值模型中的稳态流状态的输出流量值与图中的分析解决方案进行比较8．值得注意的是，基于48.95米的标准头部考虑数值模型的头部，分支阀的开口被认为是100％打开[35.］．

如图所示8，通过计算平均相对误差，Sardab Dam底部出口门不同开口的数值模型的输出流量约为4％，这是一种可接受的和娇小的量。因此，基于这些条件，可以研究校准和验证的流动3D数值建模，并且可以研究其他所需的液压参数，包括底部出口敏感点中的压力值，速度和流量的流量。图9和10.用解析解的结果给出了萨达布大坝底部出口不同开孔处的输出流量值。

３．２．5种闸阀和100%分支阀开度模式的数值模拟结果

结果表现在表格中4包括20、40、60、80和100%的开口，标准头高48.95米。桌子4在不同的栅极开口的底部出口输出流量中介绍更改的值。

3.3。不同门条件的速度变化

液压参数建模结果表明，栅极下方截面上100％开口的速度值约为18米/秒（图11.）.40％开口下门下的最大速度为23.1米/秒（图12.）.80％，60％和20％的速度值可以在图中找到13.- - - - - -15.， 分别。速度值在敏感点中检查，包括门槽，在进入流动区域到分支阀，表明不会发生不希望的液压变化，并且在这些区域中未观察到速度增加的严重变化[36.］．

浇口槽的速度值约为2-3 m/s，在这种情况下，浇口槽内没有流动分离和不良的循环流动。这些条件对所有开口的作用几乎相同。数字16.在100％栅极开口下示出了栅极槽中的速度变化的尺寸和向量。

图中给出了支板和加劲板区域的速度值17.．该区域中没有流动分离和其他不利条件，分支入口处的速度值是可变的2-5米/秒。通过分支入口后的速度值增加。

3.4。不同栅极开口下压力参数的变化

在出口巷道中，流体的运动可能会增加面对障碍物时流向上的压力。这样的压力变化称为反压力梯度。在这个流动边界层区域的流体受到这个增加的压力的影响，因此流体的速度也减慢。但是，由于流体在边界层内的动能较低，流体很可能会停滞并反转，导致边界层分离和偏离。主流从边界分离称为分离现象，这是由反向压力梯度引起的。反压力梯度是流体分离的必要条件，而不是充分条件。换句话说，可以有一个反压力梯度而不分离，而没有反压力梯度的分离不能发生。不同浇口通道区域内的压力量如图所示18.- - - - - -21.．

浇口下方的流量在下游产生圆形流动，其主要特征是剧烈的压力损失。这种压力损失是浇口的开口的函数，浇口后面的水头，以及通道的几何形状。另一方面，严重的压力波动减少了该区域的局部压力，并且由于高速增加了空化的可能性[37.］．可以在图中看到22.- - - - - -25.，沿着隧道和栅极区域，门槽和分支面积，不发生不希望的严重减压，并且没有不希望的液压现象，例如流动分离和局部涡流。

3.5。50％紧急门和服务闸门开口的数值模拟结果

3.5.1。每50％的液体体积分数值和紧急门开口

根据图26.，通过服务门提供两个门之间的一部分曝气。

3.5.2。每50%维修和应急闸门开启压力变化值

可以在图中看到27.，在闸板的上游区域，所需的压力值降低，在两个闸板之间的区域，压力值降低。由于安装了曝气器，该区域出现空化现象的可能性降低了。

3.5.3。完全封闭式闸门和100％开放分支阀的数值模拟结果

在这种情况下，通过数值建模来检查流量的水力条件，包括阀门完全关闭状态和分支阀门100%开启状态。

3.5.4。萨达布大坝底出口隧洞及分水隧洞压力值

可以在图中看到28.和29.，当阀门完全关闭时，隧道没有圆形流动和不期望的压力变化。

3.5.5。Sardab大坝隧道隧道中的速度值和分支区域

如图所示30.，在全封闭状态下，门后速度为零，分支入口速度为5 ~ 6m /s。与阀门完全打开时相比，阀门输出速度增加了约36%。根据这些条件，估计分支阀的输出流量约为5.3 m^3./ s。

3.5.6。渠道和槽空化现象调查

通常基于称为空化指数的无量纲数检查沿着通道的空化（ ）.

空化指数是局部压力和流体速度的函数，并且该指数的临界值是沿着通道的（0.2-0.25），并且插槽内部0.2 [38.］．

在底部出口通道中，当闸门开度为100%时，通道内产生最大流速和最大流量。随后，对该通道进行了100%开度空化指标的研究与控制。由于萨达布大坝将建在海拔约2500米的地方，环境温度约为20摄氏度，为了计算空化指数，我们将 在哪里为空化指数; ，其中(Pa)为大气压力;和(Pa)为相对压力和为流体的蒸汽压。

等式（9）用于计算大气压力：

上述等式的参数值定义如下：

用于空气流体，值 使用方程(9）.

需要注意的是，流体蒸气压将等于 在这个温度下。可以使用上述参数值在不同条件下的压力和速度值的帮助下计算空化指数。

计算相对压力值 ，根据51.35 m头的特定值，速度可以根据以下等式的帮助计算。损失值SUM基于参考横截面中的速度值 ，它具有等于的横截面 ：

考虑到栅极槽的两个部分等于51.35m的流动头和输出部分，将有流量（在输出部分中，相对压力等于零，并且速度等于18.9米/秒）.

在输出部分，

此外，作为空化发生的最关键点之一的服务门槽中的空化值如下计算：

应使用槽特性检查门槽，以便检查空化的可能性。考虑到插槽的缩回角是1：12和 和 ，允许指标值约为0.2，沙达坝闸槽的指标值约为0.79。因此，槽内不会出现空化现象[39.- - - - - -42.］．

含有阀门和泵的坝底插座在大坝操作和安全方面发挥着至关重要的作用，因为它们允许控制溢洪道水平以下的水面高度。由于浓缩涡流而形成空化的概率太高。由于底部出口的圆柱形状，分支入口附近的涡度分布表现出高值，这导致了高量的流量分离[43.，44.］．成功地捕捉了与移动闸门相关的瞬态流动特性以及闸门部分开启时的放电特性。对于部分开口，水在闸门唇下高速流动，并将空气拖向闸门下游，可能会产生空化和振动造成破坏。结果表明，Flow-3D模型可用于计算坝底出口的空气需水量。在案例研究中，验证了现有设计的适用性。对于部分浇口，流量随浇口的平方而变化，而对于完全开启的浇口，流量随H^1/2．对于新的设施，用于识别流动模式和计算压力和速度场的流动模式的可能性应该有助于设计曝气系统。

4。结论

本研究对Sardab大坝底部出口和Howell Bunger阀在不同流量开度条件下(20,40,60,80,100%)的水力性能进行了研究。这些检查包括检修门的单次运行，检修门和豪厄尔邦格阀的同时运行，以及豪厄尔邦格阀的单次运行。不同开度条件下，闸门下段开度为100%时流速值约为18 m/s，开度为40%时闸门下最大流速为23.1 m/s。浇口槽内的速度值约为2-3 m/s，在此情况下浇口槽内没有流动分离和不良的循环流动。这一条件适用于所有闸门开口。分支入口流速值变化为2- 5m /s，该区域无流动分离等不利条件，通过分支入口后流速值增大。沿隧道和闸门区域的压力分布没有不良变化，该区域的压力没有急剧下降。需要注意的是，在这些区域没有不良的水力现象，包括流动分离和局部涡旋。当闸门上部区域的闸门开启50%时，所需的压力值会降低，在两个闸门之间的区域，压力值也会降低。此外，随着曝气器的安装，该区域出现空化的可能性降低了。 For fully closed gate mode and 100% open branch valve, no circular flow and undesirable pressure changes are created in the tunnel. Also, the velocity behind the valves in the fully closed state is zero, and at the branch entrance point, it is 5-6 m/s. At the valve output, the velocity has increased by about 36% compared to when the gates are fully open. Based on these conditions, the branch valve’s output flow rate is estimated to be about 5.3 m/s. The presented results show that due to the bottom outlet operation in the reservoir’s maximum head condition, the probability of cavitation in the area between the two gates is very high. This analysis suggests that numerical modeling with the Flow-3D can be helpful for the design of this kind of hydraulic works.

数据可用性

所有用于支持研究结果的数据都包含在文章中。

披露

本研究未收到公众，商业或非营业部门的任何资助机构的特定授权。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

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