无压泄洪隧洞运行期三维流场特性分析及需气量预测

作     者：杨天 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：柴军瑞;曹靖

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080103[工学-流体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：泄洪洞 需气量 数值模拟 欧拉多相流模型 水气两相流 

摘      要：在高水头无压泄洪隧洞运行过程中,空气被水流拖曳至下游,导致隧洞存在较大负压,可能影响掺气减蚀设施的正常工作。当通风补气洞截面设计不合理时,隧洞中将会产生较大的风速,在凸起或其他较为尖锐的地方可能会产生较大的风动噪声,影响到闸门附近工作人员的正常工作。为提高隧洞的设计合理性,本文从实际工程的数值模拟着手,分析不同开度下无压隧洞各部位的流动特性。通过分析隧洞中的真实流动状态,为隧洞的通风洞等补气设施布置提供帮助。对单补气洞进行数值模拟,研究补气洞及隧洞设置对于气流的影响。最后通过对长直隧洞进行数值模拟,研究隧洞空气流速分布的影响因素,得到隧洞通风洞中的需气量的预测公式。主要的工作如下:(1)对比不同多相流模型及相关参数的计算结果,总结出无压泄洪隧洞运行过程水气两相流适用的多相流模型及其他参数选取及设置。Euler多相流模型相较VOF模型,在水流自掺气等模拟中更精确。拖曳力模型的选取对于补气洞中的流速分布影响较小。Schiller and Naumann模型及Symmetry模型计算出的流速分布趋势相同,Schiller and Naumann模型计算结果略大于Symmetry模型,且Schiller and Naumann模型在掺气坎附近的流态更加接近实际结果。离散相半径对于水面附近体积分数影响相对较小,隧洞中的液滴尺寸在毫米级,综合确定离散相半径为7 × 10-3 m。(2)对某水利工程无压隧洞1:1建模,揭示了不同闸门开度下隧洞各部分的流动特性。结果表明,随闸门开度的增加,隧洞上平段中的回流减小,隧洞中的负压逐渐增大,隧洞总需气量增大。当闸门开度大于0.75时,随着开度增大,隧洞面积减小对于需气量的影响逐渐占据主导地位,隧洞中的需气量开始减小。补气洞及闸室由于有动量输入等原因,流态较为混乱,能量消耗大。掺气坎对隧洞内空气流态的影响较小,几乎可以忽略,而隧洞出口对于隧洞内的补气作用较大。(3)建立单补气洞几何模型,探明了补气洞及隧洞尺寸布置对于隧洞内空气流态的影响。补气洞半径的变化对补气洞前气压影响较大。补气洞后方由于流速增大,气压突减,但整体压强随半径变化不大。补气洞布置得越靠近闸室,隧洞中的负压越小,并且增势减缓。补气洞应布置在掺气坎下游等位置,以缓解负压产生的影响。补气竖井长度变化对隧洞内负压的影响较小,可根据地形保证补气洞最短即可。洞顶余幅在一定范围内对空气流速分布影响不大,但洞顶余幅对气压影响较大。随着洞顶余幅的减小,隧洞内的负压逐渐增大。(4)系统分析了水流流速等参数对于空气流速分布的影响,根据库埃特流理论拟合出隧洞需气量计算公式。水面上方空气的流速与水流速度成正比。在洞顶余幅充足的情况下,空气的流速随高度的变化幅度几乎相同。在隧洞宽度在6m以上时,隧洞内的空气流速在宽度方向上相同,仅在壁面附近急速衰减。利用库埃特流理论计算隧洞内的泛库埃特流,并通过拟合得到隧洞上方空气分布公式。对比实测结果,流速误差在10%以内,可为初设阶段需气量的预测提供帮助。