NFX CFD|基于多相流分析的竖井旋流泄洪洞消力井消能率计算

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引子——泄水建筑物的消能

在水利工程建设中泄水建筑物是保证坝体安全及水工性能的重要措施，其下泄水流具有较高的能量，冲击下游河且对坝体安全产生威胁，因此泄水建筑物的消能防冲设计至关重要，下泻的水流消能越充分，对下游的防冲设计越有利。消能方式可以分为体内消能和体外消能两种，旋流泄洪洞作为一种消能工方式，其原理是利用起旋装置在竖井或旋流洞中产生旋转水流，利用其离心力在目标位置形成旋流空腔，延长水流流程，增加下泻水流的动能损失。这种消能工形式具有结构简单、布置灵活、消能率高、避免空蚀破坏等优点。

溪洛渡水电站旋流竖井式泄洪洞的水头达200m、流量1000m³/s

公伯峡水电站水平旋流泄洪洞满足设计水头110m、最大泄洪流量1100m³/s

按其旋转水流发生位置可分为竖井旋流消能和水平旋流消能两种，本期将为各位工程师介绍体内消能类型中的竖井旋流泄洪洞消力井的消能率计算，本次计算中利用了NFX CFD的多相流分析模块，基于Level set模型耦合多相流质量守恒模型对竖井旋流泄洪洞泄流过程中气液两相流动进行了分析，提取了竖井内旋流空腔形态及其消力井消能率等水力特性结果。

1竖井旋流泄洪洞流体计算域模型

（a）俯视图

（b）正视图

图1 竖井旋流泄洪洞流体计算域几何尺寸

本次计算竖井旋流泄洪洞按原型尺寸进行，设计泄流流量为1000m³/s，下泄水流经引水道进入涡室，在竖井中做旋转运动，按20m/s控制水流进入涡室的流速。上游库区、引水道、涡室、竖井、消力井、退水洞和下游库区组成本次竖井旋流泄洪洞流体流体计算域模型，其几何结构尺寸如图1所示。

图2 竖井旋流泄洪洞流体计算域几何尺寸

上游库区泄水进入引水道进水口，进水口宽度为10m，单宽流量为100m³/s，退水洞出口断面为7.35m*8m。上游库区水位高于进水口底板16.46m，设计泄水流量为1000m³/s，下游库区水位低于退水洞出水口底板5m。竖井高度H为70m，消力井深度h为4m，流体计算域模型如图2所示。

2网格划分与边界条件设置

图3 网格化分与边界条件设置

单元网格与边界条件设置如图3所示，网格采用NFX非结构化网格自动生成，涡室、竖井、消力井、退水洞、引水道以退水洞靠近上下游水位区域按1m尺寸划分网格，其余区域按2m划分网格，模型总网格数为1207470，节点数216891。

上游库区除进水口外均设为壁面，壁面条件给定无滑移壁面。上部为大气出口边界，进口水位16.46m，下游库区除出水口外均设为壁面，，壁面条件给定无滑移壁面。上部为大气出口边界，出口水位低于退水洞出口底板5m，涡室室顶为大气出口边界。

求解设置

水平集Level set模型耦合多相流质量守恒

图4 多相流模型设置及求解控制中耦合多相流质量守恒

NFX多相流模块提供了两种相界面捕捉方法，分别基于VOF流体体积法和Level set水平集法。VOF法在处理两相交界面时严格遵守质量守恒，但其依赖网格细化，对于复杂尖锐的相界面处理不够理想。Level set法在处理这种复杂尖锐相界面的能力较强，但其有质量不守恒的缺陷。

针对这种计算矛盾，在有要处理复杂尖锐相界面且又需要流动严格质量守恒的工程项目分析中，NFX CFD提供了Level set水平集模型耦合多相流质量守恒的计算选项，来处理这种计算矛盾。工程师只需在选定多相流模型Level set法后，在求解控制的模块数据栏中勾选多相流质量守恒选项即可，如图4所示。

多相流分析初始化流场相分布

图5 多相流求解初始化流场相分布

由于相界面捕捉方法，要求所有控制容积必须充满单一流体相或者相的联合，不允许待求流体域中没有任何流体的存在。因此无论是运用Level set法还是VOF法进行多相流分析，在求解控制中均需要对流场进行相分布的初始化。在NFX CFD中该项工作只需要工程师在求解控制的多相初始化中选择编辑好的初始相分布函数即可，不需要编写UDF进行项目控制。

以本次竖井旋流泄洪洞计算模型为例，计算流体域初始流场为上下游水库设计水位，上游水位16.46m，下游水位低于退水洞出口底板5m，上下游水头差为106.82m，控制下泄流量为1000m³/s，初始水位函数定义if(x<=0&z<16.46)then(1)elif(x>=106&z<(-90.36))then(1)else(0)endif，其含义表示初始时刻当坐标范围为x≤0且z<16.46和x≥106且z<-90.36时，该范围内水相体积分数为1，这个范围之外均为空气。

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