瞬态空气流和空气需求后开放出口门

文摘

在瑞典,大坝安全指南呼吁全面改革的许多现有网点。开幕式的一个出口门,理解瞬态空气流对其安全运行至关重要,尤其是淹没下游水条件下。三维CFD模拟是进行检查空气流动行为自由和水下外流。门,吊丝绳索和由交流供电,打开速度常数。网格是适应门运动。在自由流出,CFD模拟和模型试验吻合较好出口放电容量。更大的通风口导致更多的空气供应;然而,增量变得有限,如果通风面积大于10米²。水下流出的水跃积聚在导管当门达到大约45%的全面开放。废水排放影响的水跃和轻微的流。流特征强烈的湍流混合空气和水的积聚和气泡破裂和整理水体的碰撞。空气的需求率是几倍所需的稳态与自由表面水跃。

1。介绍

在现有的水电站,许多行洪结构底部网点功能,根据废水条件下,自由表面或加压流下游管道。管道的长度通常范围从30到150米。通过出口管道流由一段或检修闸门控制的需要在不同水力条件下运行。创伤和Mathiesen1]瑞典的情况总结和观察到的事件报道,夹杂空气有关。需要研究也强调理解和解决问题。

履行正常操作要求,足够的空气供应网点的重要方面之一。高速流门下游发生导致夹杂空气,导致空气压力低于大气压的管道。在管道流动部分,水面的扰动导致夹杂空气和水的阻力表面生成一个气流必须占。总空气体积流量等于总和的空气吹进到流,流在水面之上。如果在管道发生水跃,当地的空气夹带是由于表面和湍流速度不连续的特征是密集的作品2- - - - - -4]。

虽然底网点比表面溢洪道在数字不太常见,其独特的功能在水库放空,沉积物闪烁,不能取代等等。底部网点在瑞典建成40 - 60年前;他们中的许多人被设计只有在大坝建设期间使用。这意味着他们只经历过流排放在水库水位低,但从未在完整保留的水平。电厂大坝翻新和改变操作程序调用现在底部的检修插座。在某些情况下,坝体和地基加固需要画下来,甚至清空水库,它只可能通过媒体来实现。

由水库操作要求,出口盖茨已经比以前更频繁地操作。不同水力条件下盖茨还产生截然不同的流动模式运作渠道,这主要是由于废水变化。了解水的特性和空气流媒体无疑有助于他们安全操作。

2。文献综述

在部分填充管道流动,空气需求依赖于水和空气流动状况。小或大,空气流运动不能被忽视。隧道的长度通常影响到下游的空气流量的出口门(5]。(艾史蒂夫6)在西班牙底部空气供给的经验总结。1:15比例模型,施耐德et al。7]调查Karahnjukar底部出口、冰岛、空气的需求决定以固定门开口与理论结果进行了比较。

至于在管道水跃,携入的空气量的弗劳德数密切相关,定义为 ,在那里和流速和水深上游的水跃和=重力加速度。空气流率的一般表达式与水的流量读取 在这和是常数。表1列出了频繁引用公式(8- - - - - -10]。

比较表明,根据F值,公式的空气之间存在不可忽视的差异需求预测,这可能是由于不同的管道配置和下游出口条件(16- - - - - -18]。在物理液压造型,夹杂空气巨大规模的影响和修正需要合理近似原型情况(19,20.]。

对于给定流量条件下,空气供应底部出口是由通气孔尺寸和奇异(形式)损失的空气通道。如果奇异损失很大或通风面积小,空气也会提供从隧道出口21]。纳杰菲和Zarrati22空气)进行物理和数值建模需求固定门的开口。比例模型检验,两种方法之间的协议是好的。Zounemat-Kermani和朔尔茨23)开发了一个自适应神经模糊推理系统在低水头计算空气需求。马等。24)模拟水和空气流在一个出口段门的关闭;他们的重点是然而水流,而不是空气流。类似的数值模型是由Dargahi [25),底部出口的放电特征与一个移动的门进行了讨论。

前面的研究关注于气流与液压跳跃在稳态流动条件下,免费或淹没。这些研究了以一种方式或另一种方式的理解以及夹杂空气流稳态液压跳跃。在淹没下游水条件下,计算瞬变和由此产生的空气需求是罕见的;在文献中有限的信息是可用的。根据闸门开启高度速度,滞后效应可能存在门运动的水跃下形成和空气的需求如果管道水;携入的空气被困的拆分和合并空气的口袋。

基于现有的底部出口支墩坝,计算流体力学(CFD)模拟两相流在三维空间中,执行与弧形闸门关闭位置的移动和完全开放。一种自适应网格生成遵循门运动。这项研究的主要目的是评估瞬态自由和淹没下游水条件下空气流动。这有助于理解流的动态特性,这是必要的操作的安全出口。

3所示。研究背景

底部出口检查在研究支墩坝建造大约60年前。它的布局如图1。的最大结构大坝39米的高度。出口,配有一段门,后跟一个短渠道,通过坝体运行。它最初的设计洪水流量在建设时期,这意味着它只经历过洪水水库排放较低的水平。第一个水库的蓄水以来,它从来没有操作。图2显示了出口从下游下游水位较低。

根据大坝安全指南,许多现有高火险大坝在瑞典需要翻新,以满足安全要求的更新,为大坝也是如此。例如,恢复大坝、水库水平需要降低。溢洪道位于表面的门槛高,使用底部出口成为唯一的可能性进一步延伸水库和清空它如果需要进行地基处理。这意味着段门会在水库水位高于在大坝建设时间。

如果出口运作在储层水平高,空气供给需要高速流也会大幅度增加。随着送风通风屋顶的闸门室规模是有限的,需要评估是否应该扩大到减少节流对气流的影响。另一个事实是,根据废水水阶段,管道中的流动状态是不同的。如果水位较低或河道下游干燥,会发生自由流出。如果是管道最初淹没,迫使水跃将开发在管道逐渐打开门。许多媒体在瑞典有一个类似的布局和流条件。作为一个媒体的固有现象,探索空气流的瞬态行为是至关重要的。空化与高速流动的问题不是研究的关注。

4所示。数值模型建立

4.1。几何布局

底部的纵向剖面如图3。以混凝土衬砌的出口水平从上游到下游,与地面标高+ 236.0米。完整的水库水位在+ 273.0米。在水库,摄入遵循支墩坝的倾斜的脸。管道是矩形截面,以一个恒定宽度5.5米的水道。弧形闸门有相同的宽度,= 5.5;其全部打开高度= 3.65 m。

下游的闸门,闸门室的高度是8.65米。流动的空气供给是通过气动调压室的屋顶。大门的耳轴梁,容纳的耳钉是2.5米长方向流动。边缘有较低海拔+ 239.65米,这意味着这里的流道具有相同的高度 。的管道下游梁的高度为6.8米和21.5米的长度。从门的位置计算= 0,梁中心线和低端的管道的距离6.75和29.6 m,分别。

4.2。弧形闸门的开启速度

门驱动系统通常是类型的机械提升机或液压缸(26]。在现有网点,钢丝绳葫芦和链式起重机是常见的操作方法。老年设施通常配备了链传动系统。电源可以是交流电(AC)或直流(DC)。根据操作手册,典型的开放速度的径向盖茨总结在表在瑞典媒体2。

门打开的速度取决于传动系统和电源。钢丝绳提升机运行速度比链式起重机和交流的速度比直流。开放是不寻常的一段门速度超过1 m / min。出口的问题,弧形闸门提升钢丝绳葫芦和翻新后交流。开放速度设定在1.52厘米/秒(0.0029 rad / s),这意味着它需要= 240年代完全打开门。

4.3。网格生成

水库长度和宽度包括在模型中是100和80,分别。管道的下游,该地区是一个开放的渠道,包括长度为15米。3 d几何和网格生成在ANSYS DesignModeler [27]。几个不同细胞大小的网格进行测试,以确保并网解决方案。由于长CPU时间的瞬态模拟,网格独立检查三个网格通过稳态计算。当粗网格细化,细化了全球和本地。更大的网格密度门区域和渠道。最后计算域离散成680000六面体的元素;节点的数目是730000。图4显示网格。

4.4。自适应网格门后运动

弧形闸门的下缘和褥子映射的原型。门是给定一个常数厚度30厘米。门背后的钢结构与水平梁、横向撑,和桁架是无视他们不影响水流;他们对气流的影响可以忽略不计。为了避免额外的建模难度,大门的支撑臂被排除在外。

用户定义函数(UDF)流利可以生成时间移动自适应网格占弧形闸门运动。分层方法为动态激活区,更新网之前的外门,当门的配置移动一步。正在努力获得一份体面的门口的网格质量。打开门的关闭位置完全开放。

4.5。两相流模型

两阶段空气流在底部出口与有限体积模拟解算器流畅,在流体的体积(受到)与RNG结合使用- - - - - -湍流模型(28]。水气阶段共享一个共同的质量守恒和动量方程;受到跟踪每个阶段在一个计算单元。这里没有给出受到模型的数学公式;可以找到更多的描述,例如,何鸿燊et al。29日],Chatila和Tabbara [30.),刘、杨31日],Satrapa et al。32]。

4.6。边界条件

几何对称,只有一半的出口是模仿。静水压力适用于水库上游边界,实现一个UDF。水库水面直接覆盖水平和作为滑移边界水墙。送风口的闸门室作为入口压力与大气压力。下游端,一个流出条件适用如果自由水排放;静水压力适用于已知的水位是否预设。模拟执行的自由和水下排放。

4.7。收敛性和CPU时间

并行计算是进行大型计算机,使用一个节点双四核AMD Opteron 2.2 GHz CPU(2374年)和16 GB的内存。由于其更快收敛比显式隐式离散化方案适用。时间步长是0.001 - -0.002年代由柯朗数。剩余价值的质量、速度和体积分数是收敛性判据。对于每一个时间步的时间解决方案,计算收敛如果变量的残差比例降低大约三个数量级。典型的移动门模拟CPU时间大约是两周,如果出口流量是免费的,八(8)个月如果放电淹没下游。后者需要惊人的CPU时间超过前者。

5。物理模型试验

与大坝的康复,水工模型试验进行评估相关的液压问题底部出口,包括下游渠道有效能量耗散的修改。图5显示了——和下游的出口模型的视图。模型是基于弗劳德引力定律,规模为1:50。足够大的地区包括均合理繁殖方法和下游流出口和尾水(33- - - - - -35]。底部出口是在有机玻璃板块继续制造错误尽可能少。点指标被用来读水位。两种类型的压力计安装监控水和空气压力,分别。模型中的流量测量校准电磁流量计,相对误差在±1%。

CFD模拟或底部出口的物理模型试验,关注的问题包括出口空气放电容量和需求。考试的放电容量是一个重要的参数之间的关系,它是指确定水头作用于门和流排放。空气流动的模型并不遵循弗劳德法律和不能直接转换为原型,CFD模拟的估计具有独特作用空气流量。

6。自由出口流

如果下游水位很低或河床干涸,自由出口排出。CFD模拟是在完整的水库水位,导致放电容量在几个固定门的位置。

6.1。出口流量

图6显示的结果和作为一个无量纲闸门开启高度的函数 ,被定义为的比例来 。在这里指的是在门口和流出速度大门的开放时间,测量管道底部的垂直距离降低边缘。对比实验结果从2008年甚至1950年前大坝建成。2008年测试结果对应于固定门位置= 1.0,2.0,3.0,和3.65米;1950年测试,它指的是= 3.65 m。表3列出了的2018条结果值,表示的相对误差 :也就是说, 。之间的相对差异在排放CFD模型试验是低于3.1%。

的价值在门打开的开始迅速下降,≈8.2%。然后它逐渐变化的高原17 - 17.5 m / s≈41 - 82%。对完整的门打开,再次增加。门口的高流速表明低局部水头损失和相应的更大的流量系数。结果显示良好的CFD模拟和实验之间的协议。

6.2。空气的需求

空气供给的闸门室和进一步的流是通过空气通风机房的地板上。空气也进入管道的下游。排气口的大小,表示(m²),是一个令人关注的问题,因为它控制空气流到出口。为了这个目的,模拟执行有5个选项,= 0、2、10、20和30米²,也就是说,从一个封闭的发泄一个不切实际的大。nondimensionalised口参数 定义;相应的值= 0、0.1、0.5、1.0和1.5。

模拟表明,总有从下游端送风管道。情况不同于长隧道中空气流动总是遵循水流(3]。随着空气和水在水面,一个大型的逆时针方向气流循环管道中存在,无论发泄选项。当门完全打开(= 100%),有限的空间和耳轴梁下气道离开。从受到= 0.5,通过仅仅是30厘米。如果= 0,空气流出方向移动,最大速度为8.5米/秒;闸门室的空气压降波动之间的3和4 m H₂O,这是重要的。已经在= 0.1,情况改善,导致气流回水区下面梁和室压降就变小了。图7显示了水和空气的流动速度场= 100%。逆时针气流循环发生在闸门室。Vahdati [36)执行的CFD模型底部出口。虽然他的焦点是放在水流,空气流型同意与本研究。

图8显示的结果和的函数 。 表示的意思是通过通风气流速度。所有通风选项,大门的打开后立即增加迅速。显然,这三个大值导致高几倍比= 0.1。门慢慢打开,增长缓慢和 。门运动的末期,下降,方法18−20米³/ s,这几乎是独立的通风口的大小。一会儿后全面开放,水和空气流动有所波动,但震级很小。的变化的函数之前的模式 。的发泄= 0.1产生适度更高值,≈10 m / s的全面开放。为 ,变化不够用 ; 变化只有0.7至2米/秒。

在弗劳德法模型,空气压降不能正确地模仿。然而,其变化趋势与闸门开启高度定性符合测量的血压计物理模型(33]。

7所示。水下出口流

如果下游水阶段的屋顶高度高于出口管道,这是由于洪水从表面释放溢洪道,然后流出成为淹没。管道顶高程是+ 242.80米。模拟是在1.0米以上的尾水阶段屋顶;由此产生的下游水深= 7.8 m。这意味着当门开始打开,相同的水深行为在其下游褥子。的排气口设置足够大= 1.5,所以它不节流的气流。

7.1。形成水跃

图9显示了水深的变化在闸门室 。弧形闸门的水下游的伫立在门打开之前,== 7.8 m。由于这一点,上升约0.35米= 2.2%。与下游管道中的水开始移动,迅速下降1.4米= 6.75米= 4.7%,与商会横截面积密切相关。然后恢复= 7.65米= 8.8%之前缓慢下行。随着时间的推移,显示了一个适度快速衰减= 35.6%。

图10所示,沿着中间的出口,一个连续变化的瞬时空气流模式打开门从关闭位置到全面开放,受到和流速矢量绘制。闸门开启高度间隔之间的两个相邻快照不是常数而是反映典型瞬间在门运动。流强烈不稳定和变量。甚至1%的变化(时间间隔2.4秒)产生了两个截然不同的流动结构,特别是在= 50 - 85%。

在早期阶段的门打开≈38%,闸门室充满了水。小门口开口沿着管道底部,导致射流的喷射厚度增加流向对于一个给定的门打开。在= 34%,一个逆时针的漩涡会建立梁的下游。之前≈38%,流型的变化相对较小,有限的水射流运动。大约在= 40%,低于耳轴梁的下沿高程和空气然后携入的到下游管道。现在射流生成两个逆时针的漩涡通道,比上游与下游一个有点大。这门打开,流出可以平行的平面紊流壁射流的文学,以高速度和固定流出高度淹没在尾水(37]。这里的显著特征是,由于门向上运动,很难适应扩大管道喷流出,达到一个平衡。因此,在流动滞后效应确实存在。

在≈42.5%,一些水在喷射改变其方向,撞到门。底部电流会导致一个大区域水的循环,有大量气泡被困在中间。上面的循环区几乎占据了整个空间的喷气机。在≈45%,流出飞机变得强大到足以推动水下游,远离门口。因此,更多的空气进入管道和一个水跃形式,= 1.20米,= 24.8 m / s,对应F= 7.23。列之后,强烈的湍流混合和重叠的水与空气的口袋发生在管道。

在≈48%,下游水跃动作和管道充满空气的重要组成部分。在≈55%,大量的空气被困在下游管道和运输。流动特性的推翻水推覆体的梁下打门和室屋顶。在传统的形成从淹没水跃墙喷气,过渡通常是用一个序列表示的稳态流阶段和废水与自由表面(37- - - - - -39]。自由表面的流动很容易调整喷射强加的压力波动。在我们的例子中,废水海拔1.0米以上管道屋顶和流不断加压。这意味着飞机的阻力是强大。的滞后效应,这就产生了扭转水运动飞机之上。

在≈61.5%,强劲的喷气推水回水管,导致强烈的混合和大气泡在水中。辊表面波也来回飞机旅行。随着门继续(在开放≈68%,75%,82%),被困的空气形成大气泡在管道屋檐下,其中一些还分手,成为合并,按照流。

当> 90%,大型管道气腔形式,通过狭窄的气道与闸门室沟通以下梁。通过变小了,小如门向上移动,但仍然存在。当门方法全部开放,产生的水跃的位置相对稳定。在= 100%,= 3.35米,= 24.3 m / sF= 4.23。超临界流出超出耳轴梁和管道,与辊波在管道和空气的口袋。

7.2。流出流量

在物理模型试验、流排放都是在稳态条件下测量;很难控制和测量瞬态排放后移动门。一个经常诉诸CFD模型找到答案。在门打开,图11比较了结果之间的自由和淹没水跃流出。的变量指的是区别除以自由流出分泌物。

可辨别的,初始流出在大门口被淹没;因此,放电容量的影响。很明显,最大的差异,23%发生在大门的一开始运动。越来越门打开,水推开,差异变得越来越小。大约在≈45% (≈1.65 m),流出变得“自由。”尽管如此,由于推翻水推覆体和辊波,随后排放略有影响,导致一些微小的扰动。

7.3。瞬态空气的需求

如表所示1拉贾拉特南的公式(13),威斯勒等。14],Rabben et al。15)通常采用空气需求估计稳态水力跳在矩形通道的形成。图12所示,在导叶开度的变化的函数F。需求预测的三个公式的空气还包括在图中。

打开门后,增加了 ,F变得越来越小。在水跃的形成,空气移动,通过通气孔,两室的大门。空气供给可以几次高于估计的公式,这是部分应由密集夹杂空气和水整理列的重叠和冲突在封闭的管道。末门运动,产生的水跃的位置相对稳定。空气的需求变得也或多或少的常数,并与公式的结果。

8。结论

在底部出口,必须明白,在门打开,空气流的瞬态特性和空气的需求,避免意想不到的后果。结合一个出口的康复,CFD模拟执行封闭流出的补充物理模型试验。弧形闸门吊着绳索,翻新后交流电源。打开在一个恒定的速度,一种自适应网格生成遵循门运动。模拟的目的是检查在自由流动的瞬态特性和水下排放空气和评估的要求。的研究中,以下的结论。

自由出口排出,CFD模型在水库水位。产生的放电容量在几门位置符合实验结果的一致性,最大差异+ 3.1%以下。流出展品更高的流速在这两个小型和大型门开口,表明降低局部水头损失和相应更高的排放系数。

通气孔大小的几个选项是模拟的。空气总是进入管道的下游端,导致上面的气流循环水管里的水。如果的排气口密封,重要的空气压降会发生在闸门室的门打开。一个更大的通风面积超过10米²导致类似的空气流动行为和几次空气供给率高于2米²在门打开。室的空气压降也变得无关紧要的小。

水下流出,门口下的放电是减少废水和轻微的流在水跃的形成。相比自由流出,最大限度的减少约23%大门的一开始上升。大约45%的全面开放,门口流出成为“免费”,强大到足以推动下游水远离大门,标志着水跃的开始形成。随后的波流特征强烈的湍流混合和辊流喷射。55%开放,推翻水推覆体打门和室屋顶。门进一步向上移动,大气泡建立在封闭管道,然后分手引起碰撞整理的水体。与方法完整的门打开,水跃的位置变得相对稳定。流出飞机超出耳轴梁,形成巨大的管道气腔。与闸门室腔连接梁下面通过狭窄的气道。

门运动期间,淹没水跃的形成强烈动荡和不稳定的流动方向。因此,空气流动的闸门室。过程导致几次更多的空气流量比与自由表面稳定的水跃。

符号

:	通气孔面积
:	弧形闸门宽度
F:	弗劳德数
:	重力加速度
:	水深在闸门室
:	完全打开门的高度
:	水深上游的水跃
:	跃的下游水深
:	时间闸门开启高度
:	常数
:	常数
:	气流在空中排放发泄
:	水流在门口放电
:	平均流速上游的水跃
:	意味着空气流速的空气通风
:	平均流速下的门
:	门放电的相对差异
:	比水流排出的气流
:	无量纲通风面积
:	无量纲的门打开
:	相对放电错误。

的利益冲突

没有报告的作者潜在的利益冲突。

确认

这项研究是在水力设计研究项目得到瑞典水电中心(SVC) Vattenfall AB, 111项目。SVC是由瑞典能源机构建立Energiforsk AB和瑞典国家电网与皇家理工学院(k)、吕勒奥理工大学(LTU),(车车),查尔姆斯理工大学的乌普萨拉大学(UU)。第一和第三作者是111项目的成员颁发教育部和国家外国专家局、中国(批准号Hydrology-Water B17015),与国家重点实验室资源和水利工程,河海大学,作为执行机构。

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