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        平板泄水閘門門槽體形研究

        2011-10-13 01:11:42周通中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司北京100027
        天津科技 2011年2期
        關(guān)鍵詞:流態(tài)模擬計(jì)算壓板

        周通(中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司北京100027)

        平板泄水閘門門槽體形研究

        周通(中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司北京100027)

        借助于數(shù)值模擬計(jì)算,通過(guò)對(duì)積石峽水電站中孔泄洪洞工作閘門門槽體形的試驗(yàn)研究,包括對(duì)原設(shè)計(jì)方案在內(nèi)的6個(gè)方案的水力特性的比較,最后確定第三組修改方案,即加大門槽錯(cuò)距,擴(kuò)大其下游棱角的弧半徑及平緩后接坡度的優(yōu)化方案。

        流線型門槽折流坎門槽后壓板水流空化數(shù)空蝕

        本文以青海省循化縣境內(nèi)積石峽水電站建設(shè)項(xiàng)目為背景。積石峽水電站中孔泄洪洞位于左岸山體中,是由導(dǎo)流洞改建的“龍?zhí)ь^”式有壓短管進(jìn)口的泄洪洞。沿洞長(zhǎng)分為進(jìn)口進(jìn)水塔段,“龍?zhí)ь^”斜洞段,與導(dǎo)流洞結(jié)合段及出口消力池段,全長(zhǎng)800m。進(jìn)口為岸塔式進(jìn)水口,底板高程1 804m。進(jìn)水口為喇叭口型,頂部及側(cè)墻均為橢圓形曲線。進(jìn)口段樁號(hào)0+03.47設(shè)8m×13.6m的平板事故門,樁號(hào)0+017.35設(shè)8m×11.0m的平板工作門,頂部壓板斜率在工作門前為1∶4.3。樁號(hào)0+029.00后接拋物線段,拋物線段后再接1∶14的斜線段。中孔泄洪洞兩道平面閘門平行布置,下游側(cè)閘門為工作閘門,擔(dān)任泄洪排沙任務(wù)。

        工作閘門為輪式支承的平板鋼閘門,水封布置在迎水面,設(shè)計(jì)水頭52m,門槽尺寸為2.71m×1.4m(寬×深),錯(cuò)距為0.22 m,門槽下游棱角用R=0.07m圓化,后接1∶12的斜坡。閘門采用動(dòng)水啟閉的運(yùn)行方式。經(jīng)實(shí)踐總結(jié),此種常規(guī)流線型寬門槽當(dāng)用作壓力段的事故閘門門槽時(shí),效果較好,而用作閘后無(wú)壓明流的工作門槽時(shí),其前后流態(tài)、壓力分布、空化空蝕狀況必須通過(guò)模型試驗(yàn)確認(rèn)并進(jìn)行優(yōu)化。

        1 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

        依據(jù)實(shí)際需要,本模型只對(duì)進(jìn)水口后100m范圍內(nèi)進(jìn)行模擬。根據(jù)重力相似準(zhǔn)則,模型幾何比尺選用Lr=25。模型泄洪洞全部采用有機(jī)玻璃制作,閘門止水按設(shè)計(jì)要求布置,止水預(yù)留縫隙≤0.5mm,使止水既不與門槽軌道接觸,又能保證門井水位與原型實(shí)際水位接近。在門槽附近,沿不同高度共布置了50個(gè)測(cè)壓管,重點(diǎn)量測(cè)門槽及下游側(cè)墻上的壓力分布。模型及工作門槽測(cè)壓管布置如圖1、圖2所示。

        圖1 模型布置示意圖(單位:m)

        2 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果

        試驗(yàn)時(shí)事故閘門全開(kāi),對(duì)流態(tài)、壓力等參數(shù)進(jìn)行了觀測(cè),結(jié)果簡(jiǎn)述如下:

        圖2 工作閘門門槽測(cè)壓管布置示意圖(單位:m)

        2.1 水流流態(tài)

        庫(kù)水位為設(shè)計(jì)水位(1 854m)、正常水位(1 856m)和校核水位(1 860.4m)時(shí),閘門全開(kāi)后,門槽內(nèi)流態(tài)相對(duì)較為平穩(wěn),但過(guò)槽水面流態(tài)紊亂,水流紊動(dòng)劇烈,并沖擊門槽的斜坡圓角處。工作閘門在局部開(kāi)啟運(yùn)行的工況下,門槽內(nèi)存在強(qiáng)烈的觸底摻氣立軸漩渦(偶爾有間斷),當(dāng)工作閘門開(kāi)度為0.8時(shí)立軸漩渦有所減弱,工作閘門全開(kāi)時(shí)立軸漩渦則不太明顯。

        2.2 壓力分布

        庫(kù)水位為設(shè)計(jì)水位至校核水位時(shí),閘門無(wú)論是全開(kāi)還是局開(kāi),門槽內(nèi)均存在負(fù)壓。閘門局部開(kāi)啟時(shí),最大負(fù)壓為2.75×9.8 kPa,出現(xiàn)在門槽內(nèi),發(fā)生在正常水位,閘門開(kāi)度為0.1時(shí)。門槽后斜坡段的最大負(fù)壓為-1.13×9.8 kPa,發(fā)生在校核水位,閘門全開(kāi)時(shí),因此存在空化的可能性,若考慮脈動(dòng)的影響,瞬時(shí)壓力更低,會(huì)加劇空化的發(fā)生(見(jiàn)圖3、圖4)。

        圖3 原方案部分測(cè)點(diǎn)(高程為1 810.5 m)壓力分布

        圖4 原方案門槽下游壓力分布

        2.3 結(jié)果分析

        鑒于門槽后水流為無(wú)壓流,本門槽的寬度較大(2.71m),水流沖擊門槽后緣是必然的。盡管本門槽體型也符合規(guī)范中的合宜寬深比W/D=1.4~2.5(本門槽寬深比W/D=1.93),但因?yàn)殚T后水流為明流,水流流態(tài)與有壓狀態(tài)下的門槽有很大的差別,因此按現(xiàn)行規(guī)范的指標(biāo)去衡量顯然不合適。

        水流空化數(shù)的計(jì)算公式為:

        式中:v1為緊靠門槽上游的斷面平均流速(m/s);g為重力加速度,等于9.81m/s2;H1為以水柱表示的緊靠門槽上游的斷面平均相對(duì)壓強(qiáng);Ha為以水柱表示的大氣壓強(qiáng);Hv為以水柱表示的氣化壓強(qiáng)。當(dāng)庫(kù)水位為校核水位,工作閘門全開(kāi)時(shí),緊靠工作門槽上游水流空化數(shù)計(jì)算值為0.59(標(biāo)準(zhǔn)門槽的初生空化數(shù)為0.4~0.6),按目前的判別標(biāo)準(zhǔn),此工作門槽處在空化的臨界狀態(tài)。另外,門槽后斜坡段有負(fù)壓的存在,說(shuō)明水流過(guò)槽后與邊壁有分離的趨勢(shì),門槽后水流紊動(dòng)劇烈,前述在時(shí)均壓力下的水流空化數(shù)就達(dá)到臨界值,而水流強(qiáng)烈的紊動(dòng)會(huì)加劇空化。因此,從各方面來(lái)看,此工作門槽體型必須進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化的措施通常有:在門槽上游設(shè)置折流坎或在門槽下游設(shè)置后壓板。

        3 修改方案試驗(yàn)結(jié)果及分析

        3.1 第一組修改方案試驗(yàn)結(jié)果

        由于此工作閘門主要是全開(kāi)全閉工作,因此修改方案主要研究工作閘門全開(kāi)時(shí)門槽水流特性。此組修改方案是在門槽上游設(shè)置原型長(zhǎng)1 000mm、坎高75mm(修改方案1)和坎高125mm(修改方案2)的折流坎。折流坎布置如圖5所示。

        圖5 折流坎布置示意圖

        庫(kù)水位為設(shè)計(jì)水位至校核水位時(shí),修改方案1和修改方案2在工作閘門全開(kāi)時(shí)過(guò)槽水流都發(fā)生收縮(修改方案2收縮更甚)。折流坎雖對(duì)門槽內(nèi)和后面的壓力分布有影響,但流態(tài)并未改善。而且折流坎越高,門槽內(nèi)立軸渦越強(qiáng)烈。從模型中可明顯看到折流坎已經(jīng)將過(guò)槽水流導(dǎo)向了斜坡段,未直接沖擊門槽下游的圓角處。折流坎雖表面上加劇了槽內(nèi)摻氣立軸渦,兩種坎都使壓力有所升高,但仍存在一定的負(fù)壓。

        3.2 第二組修改方案試驗(yàn)結(jié)果

        此組修改方案是在門槽下游門眉高度處設(shè)置原型長(zhǎng)8 000mm,斜率為1∶12(修改方案3)和斜率為1∶10(修改方案4)的壓板。壓板布置如圖6所示。

        圖6 工作門槽后壓板布置示意圖

        庫(kù)水位為設(shè)計(jì)水位至校核水位時(shí),修改方案3和修改方案4在工作閘門全開(kāi)時(shí)門槽已經(jīng)變成有壓狀態(tài),過(guò)槽水流平穩(wěn),修改方案3的門井在門眉以上有3m左右的水深,修改方案4門井水深4m左右。兩種壓板除了使門槽和板后流態(tài)平穩(wěn)外,更明顯的是使負(fù)壓消失。

        3.3 中間試驗(yàn)成果分析及修改方案探討

        對(duì)于處在壓力段內(nèi)的事故平板閘門,曾有許多學(xué)者進(jìn)行過(guò)折流坎試驗(yàn)(如文獻(xiàn)[3]),結(jié)果均不能令人滿意。本模型試驗(yàn)表明,對(duì)于門后為無(wú)壓明流的平板工作閘門,加折流坎不僅損失流量且沒(méi)能消除負(fù)壓,流態(tài)更是不能令人滿意。加壓板方案效果明顯優(yōu)于加折流坎方案,兩種壓板都使門槽和板后流態(tài)平穩(wěn),更明顯的是使負(fù)壓消失。但是修改方案3流量較原方案損失約4%,修改方案4流量較原方案損失約6%,而且門井內(nèi)水面紊動(dòng)強(qiáng)烈,涌浪高度(最高與最低之差)2m左右,實(shí)際上使壓板的進(jìn)流條件不好。由于以上兩組修改方案均沒(méi)有達(dá)到令人滿意的效果,故必須另尋途徑來(lái)優(yōu)化門槽。

        根據(jù)前人的試驗(yàn)資料總結(jié)(如文獻(xiàn)[2]),當(dāng)錯(cuò)距比Δ/W>0.08后,門槽的初生空化數(shù)不再隨之變化,這是因?yàn)殄e(cuò)距足夠大時(shí),擴(kuò)散水流的流線將直沖斜坡,初生空化數(shù)將受到斜坡控制;在一定范圍內(nèi),門槽的初生空化數(shù)隨Δ/X的減小而減小,但當(dāng)Δ/X小到一定值后[1:(10~12)],斜坡的初生空化數(shù)在各種綜合因素中已不起主導(dǎo)作用。這些結(jié)論比較適合壓力段內(nèi)的事故門槽,而對(duì)于本模型中的閘后為明流的工作門槽,便不是太適用。因此通過(guò)加大門槽錯(cuò)距和圓角半徑,放緩斜坡,希望能起到改善流態(tài)、抑制漩渦型空化和分離型空化的作用。

        由于模型試驗(yàn)在做多方案比較時(shí)往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力且費(fèi)用較高,近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)速度及計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬的方法逐漸成為工程設(shè)計(jì)和研究的重要補(bǔ)充手段。根據(jù)目前階段的試驗(yàn)狀況,決定先設(shè)計(jì)幾個(gè)方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,對(duì)計(jì)算結(jié)果令人滿意的方案再進(jìn)行模型試驗(yàn)。數(shù)值模擬計(jì)算方案如下:

        方案(1):門槽錯(cuò)距加大100mm。

        方案(2):門槽錯(cuò)距加大100mm,圓角半徑擴(kuò)大為140mm。

        方案(3):門槽錯(cuò)距加大100mm,圓角半徑擴(kuò)大為140mm,斜坡改為1∶20。

        方案(4):門槽錯(cuò)距加大100mm,圓角半徑擴(kuò)大為140mm,斜坡改為1∶25。

        4 數(shù)值模擬計(jì)算

        4.1 k~ε紊流模型

        數(shù)值計(jì)算采用RNG k~ε雙方程湍流模型,RNG k~ε模型源于瞬態(tài)N-S方程,采用一種被稱為“renormalization group”的數(shù)學(xué)方法,它和標(biāo)準(zhǔn)k~ε模型很相似,但是比標(biāo)準(zhǔn)k~ε模型的ε方程中多出了一個(gè)附加項(xiàng)Rτ;同時(shí),為湍流Prandtl數(shù)提供了一個(gè)解析公式,而在標(biāo)準(zhǔn)k~ε模型中Prandtl數(shù)為常數(shù);RNG k~ε模型還考慮了湍流漩渦和低雷諾數(shù)流動(dòng)粘性,這些特點(diǎn)使得RNG k~ε模型更廣泛的應(yīng)用于粘性湍流計(jì)算。

        4.2 VOF水~氣界面追蹤方法

        該方法的基本思想是:定義函數(shù)αw(x,y,z,t)和αa(x,y,z,t)分別代表計(jì)算區(qū)域內(nèi)水和氣占計(jì)算區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)。在每個(gè)單元中,水和氣的體積分?jǐn)?shù)之和為1,即:αw+αa=1。對(duì)于某個(gè)計(jì)算單元而言,存在下面3種情況:αw=1,表示該單元完全被水充滿;αw=0,表示該單元完全被氣充滿;0<αw<1,表示該單元部分是水,部分是氣,存在水氣交界面。顯然,自由表面問(wèn)題屬于第3種情況。水的體積分?jǐn)?shù)αw的梯度可以用來(lái)確定自由邊界的法線方向。計(jì)算出各單元的αw數(shù)值及其梯度后,就可以確定各單元中自由邊界的近似位置。水的體積分?jǐn)?shù)αw的控制微分方程為:

        式中:t為時(shí)間,ui和xi分別為速度分量和坐標(biāo)分量。水氣交界面的追蹤即通過(guò)求解該連續(xù)方程來(lái)完成。

        4.3 邊界條件

        4.3.1 壁面邊界采用壁面函數(shù)法,近壁面第一內(nèi)節(jié)點(diǎn)P上的紊動(dòng)能kp和紊動(dòng)耗散率εp按以下兩式確定。

        式中:n為壁面法線方向的局部坐標(biāo),np為P點(diǎn)到壁面的法向距離,卡門常數(shù)κ=0.41。

        4.3.2 入流邊界根據(jù)上游水位就可以知道入口處的總壓,以總壓作為入口邊界條件,k、ε值按下列兩式確定:

        式中:u0是入口處的流速,可根據(jù)上下游水位差估算得知。

        4.3.3 出口邊界出口邊界采用壓力邊界條件,認(rèn)為出口壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值。

        4.3.4 自由表面采用VOF方法處理。

        4.4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

        數(shù)值模擬計(jì)算方案(1)計(jì)算結(jié)果與原設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)結(jié)果在流態(tài)和壓力分布上都比較接近,只是負(fù)壓稍有下降(最大負(fù)壓為2.5×9.8 kPa)。數(shù)值模擬計(jì)算方案(2)和數(shù)值模擬計(jì)算方案(1)的計(jì)算結(jié)果幾乎一致,可見(jiàn)單純變化圓角半徑?jīng)]有什么作用。數(shù)值模擬計(jì)算方案(3)和數(shù)值模擬計(jì)算方案(4)在流態(tài)和壓力分布上都有令人滿意的效果,且兩方案的計(jì)算結(jié)果相差甚少。由于此工作門槽斜坡采用鋼板襯砌,斜坡越緩,意味著將耗費(fèi)更多的鋼材,故決定將數(shù)值模擬計(jì)算方案(3)(門槽錯(cuò)距加大100 mm,圓角半徑擴(kuò)大為140 mm,斜坡改為1∶20)定為模型試驗(yàn)第三組修改方案即修改方案(5)。圖7為數(shù)值模擬計(jì)算方案(3)門槽區(qū)流速矢量圖。

        圖7 門槽區(qū)流速矢量圖

        5 第三組修改方案試驗(yàn)結(jié)果

        庫(kù)水位為設(shè)計(jì)水位至校核水位時(shí),第三組修改方案即修改方案(5)在工作閘門全開(kāi)時(shí)漩渦僅在閘門底緣以下小范圍內(nèi)才有。校核水位時(shí),門井水高約1.0m,浪涌到2.4m,水流過(guò)門槽后水面相對(duì)底板高度約11.7m,過(guò)槽水流平穩(wěn)。由于斜坡放緩,原有測(cè)壓管不能完全控制門槽影響水流的范圍,故沿原不同高程再布置24個(gè)測(cè)壓管(重新編號(hào)后測(cè)壓管布置如圖8所示)。試驗(yàn)結(jié)果顯示,僅在校核水位時(shí)斜坡末端存在(0.03~0.05)×9.8 kPa的負(fù)壓,脈動(dòng)為(0.38~0.41)×9.8 kPa,且這幾點(diǎn)的高程接近水面,其壓力本來(lái)就接近于大氣壓,分析認(rèn)為由于負(fù)壓較小,不足以引起空化。與前兩組修改方案相比,第三組修改方案即修改方案(5)沒(méi)有流量的損失,因此綜合考慮各方面因素,認(rèn)為工作門槽采用此種體型比較合適。試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算方案(3)計(jì)算結(jié)果壓力分布如圖9所示。

        圖8 工作閘門門槽測(cè)壓管布置示意圖(單位:m)

        圖9 修改方案5門槽附近各點(diǎn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

        6 結(jié)語(yǔ)

        折流坎雖對(duì)門槽內(nèi)和后面的壓力分布有影響,但流態(tài)并未改善。而且折流坎越高,門槽內(nèi)立軸渦越強(qiáng)烈。折流坎雖表面上加劇了槽內(nèi)摻氣立軸渦,兩種坎都使壓力有所升高,但仍存在一定的負(fù)壓,同時(shí)損失了設(shè)計(jì)者很在乎的流量。對(duì)本門槽體型來(lái)說(shuō),加折流坎效果不好。

        加壓板方案效果明顯優(yōu)于加折流坎方案,兩種壓板都使門槽和板后流態(tài)平穩(wěn),更明顯的是使負(fù)壓消失。但是修改方案(3)流量較原方案損失約4%,修改方案(4)流量較原方案損失約6%,而且門井內(nèi)水面紊動(dòng)強(qiáng)烈,涌浪高度(最高與最低之差)2m左右,實(shí)際上使壓板的進(jìn)流條件不好。

        修改方案(5)內(nèi)容為:門槽錯(cuò)距加大100mm,圓角半徑由原來(lái)的70 mm擴(kuò)大為140 mm,斜坡由原來(lái)的1∶12改為1∶20。試驗(yàn)表明在工作閘門全開(kāi)時(shí)漩渦僅在閘門底緣以下小范圍內(nèi)才有,過(guò)槽水流平穩(wěn)。僅在校核水位時(shí)斜坡末端存在(0.03~0.05)×9.8 kPa的負(fù)壓,脈動(dòng)為(0.38~0.41)×9.8 kPa。分析認(rèn)為由于負(fù)壓較小,不足以引起空化。工作門槽采用此種體型比較合適。該方案是通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算后,再經(jīng)過(guò)模型試驗(yàn)檢驗(yàn)確定的,充分說(shuō)明了門槽數(shù)值模擬方法可作為工程設(shè)計(jì)和研究的補(bǔ)充手段。

        對(duì)于閘后為無(wú)壓明流的平板工作閘門門槽,其水力特性與處在壓力段內(nèi)的事故閘門門槽相差較大,故不能完全借用后者各項(xiàng)已較成熟的設(shè)計(jì)技術(shù),而目前關(guān)于閘后為無(wú)壓明流的平板工作閘門門槽的設(shè)計(jì)技術(shù)還不夠成熟,希望本試驗(yàn)結(jié)果能為同類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和研究提供一定的參考價(jià)值?!?/p>

        [1]金泰來(lái).高壓閘門總體布置[M].北京:科學(xué)出版社,1994.

        [2]趙進(jìn)平.冶勒水電站放空洞高水頭平面滑動(dòng)工作閘門的設(shè)計(jì)[J].水電站設(shè)計(jì),2004(6):49-52.

        [3]肖興斌,王業(yè)紅.高壓閘門水力特性試驗(yàn)研究與應(yīng)用[J].長(zhǎng)江職工大學(xué)學(xué)報(bào),2000(3):1-4.

        2011-03-05

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