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        泄洪洞工作閘門(mén)關(guān)閉時(shí)水擊數(shù)值模擬研究

        2017-03-22 03:08:37蘇小麗劉韓生范曉丹
        中國(guó)農(nóng)村水利水電 2017年1期

        蘇小麗,劉韓生,范曉丹

        (西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

        0 引 言

        泄洪洞是水庫(kù)的主要泄水建筑物[1],對(duì)水庫(kù)能否發(fā)揮農(nóng)田灌溉功能至關(guān)重要。工作閘門(mén)位于泄洪洞末端,閘門(mén)的安全運(yùn)行是泄洪洞發(fā)揮泄洪作用的必要條件。陳椿庭[3]指出工作閘門(mén)關(guān)閉過(guò)程中有可能產(chǎn)生水擊問(wèn)題,引起工作閘門(mén)振動(dòng),但沒(méi)有深入研究。目前泄洪洞工作閘門(mén)采用勻速關(guān)閉方式[3],可能由于其關(guān)閉速度緩慢[4],人們忽視了水擊對(duì)工作閘門(mén)的影響,迄今,尚無(wú)相關(guān)研究成果。在水擊計(jì)算方法[5,6]中,特征線法[7-9]的發(fā)展已較為成熟,采用特征線法建立青海省某水電站泄洪洞工作閘門(mén)關(guān)閉時(shí)水擊變化的數(shù)學(xué)模型,研究泄洪洞水擊問(wèn)題,探究閘門(mén)在不同關(guān)閉方式下的水擊特性。

        1 計(jì)算方法

        1.1 數(shù)值計(jì)算模型

        采用特征線法建立水擊計(jì)算的數(shù)學(xué)模型。水擊特征方程組如式(1)~(4):

        式中:t為水擊波傳播時(shí)間,s;x為水擊波傳播距離,m;V為泄洪洞內(nèi)水流流速,流向閘門(mén)為正方向,m/s;λ為泄洪洞摩阻系數(shù);D為泄洪洞直徑,m;θ為泄洪洞洞身傾角,(°);c為水擊波傳播速度,m/s;g為重力加速度,m/s2。

        由式(2)、(4)描繪的特征線C+和C-在x-t平面上呈現(xiàn)為如圖1所示的曲線。

        圖1 計(jì)算網(wǎng)格圖Fig.1 Calculation grid

        對(duì)C+和C-積分,采用一階近似,聯(lián)立求解得P節(jié)點(diǎn)的水頭和流速:

        (5)

        (6)

        1.2 初始、邊界條件

        方程的初始條件為泄洪洞穩(wěn)態(tài)流。泄洪洞進(jìn)口與水庫(kù)相連,假定水庫(kù)水位恒定不變,進(jìn)口斷面邊界條件可寫(xiě)為:

        (7)

        (8)

        式中:j表示時(shí)刻;Hu為泄洪洞進(jìn)口斷面作用水頭,m.

        泄洪洞出口閘門(mén)斷面的水流屬于典型的孔口出流。出口閘門(mén)斷面的邊界條件為:

        (9)

        (10)

        2 計(jì)算結(jié)果與分析

        2.1 泄洪洞水擊壓強(qiáng)模擬結(jié)果及分析

        青海省海南州班多峽谷的某水電站,水庫(kù)正常蓄水位為2 990.00 m。泄洪洞位于放空洞右側(cè)山體內(nèi),全長(zhǎng)約1 520 m,為有壓接無(wú)壓型隧洞,有壓隧洞全長(zhǎng)700 m,隧洞底坡為平坡,底板高程2 910.00 m,洞徑D=11.5 m,洞長(zhǎng)L=700 m,閘門(mén)全開(kāi)時(shí)下泄流量為Q=2 193 m3/s。工作閘門(mén)勻速啟閉,啟閉速度V0=0.5 m/min,洞身采用混凝土襯砌,混凝土糙率n=0.014,經(jīng)計(jì)算此泄洪洞水擊波速為1 077 m3/s,正常蓄水位下水庫(kù)水頭為80 m。求工作閘門(mén)關(guān)閉過(guò)程中水擊壓強(qiáng)的變化過(guò)程。

        泄洪洞工作閘門(mén)勻速關(guān)閉時(shí)間為1 524 s。最大水擊壓強(qiáng)增高值均發(fā)生在閘門(mén)斷面,重點(diǎn)研究閘門(mén)斷面的水擊變化過(guò)程。

        采用上文介紹的特征線法數(shù)值計(jì)算該工程實(shí)例中工作閘門(mén)關(guān)閉時(shí)的壓強(qiáng)變化情況,計(jì)算結(jié)果如圖2所示。圖3為工作閘門(mén)關(guān)閉后水擊壓強(qiáng)變化過(guò)程,圖4為水擊壓強(qiáng)振幅隨時(shí)間變化的關(guān)系圖。

        圖2 壓強(qiáng)時(shí)程圖Fig.2 Time-history of pressure

        圖3 水擊壓強(qiáng)時(shí)程圖Fig.3 Time-history of water hammer pressure

        圖4 水擊壓強(qiáng)振幅時(shí)程圖Fig.4 Time-history of water hammer pressure amplitude

        分析圖2~4可知:盡管工作閘門(mén)關(guān)閉時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1 524 s,工作閘門(mén)勻速關(guān)閉仍會(huì)引起水擊現(xiàn)象的產(chǎn)生。工作閘門(mén)關(guān)閉過(guò)程中,泄洪洞內(nèi)水流做壓強(qiáng)增大的非恒定流動(dòng),完全關(guān)閉時(shí)刻,壓強(qiáng)達(dá)最大(81.07 m水柱),并立即產(chǎn)生水擊,一段時(shí)間之后,水擊現(xiàn)象消失,壓強(qiáng)穩(wěn)定于閘門(mén)完全關(guān)閉狀態(tài)下的壓強(qiáng)值(80 m水柱)。水擊壓強(qiáng)振幅呈指數(shù)規(guī)律衰減,振幅和時(shí)間的關(guān)系如式(11)。最大水擊壓強(qiáng)為1.07 m水柱,振蕩時(shí)間長(zhǎng)達(dá)140 s,振蕩周期為2.6 s,振蕩頻率為0.38 Hz。

        ΔH=0.890 9 e-0.026(t-1 524)R2=0.996 5

        (11)

        式中:ΔH表示水擊壓強(qiáng)振幅,m;t表示時(shí)間,s;R為擬合相關(guān)系數(shù)。

        水擊壓強(qiáng)周期性變化,壓強(qiáng)時(shí)大時(shí)小,往復(fù)作用于閘門(mén)上,可能引起閘門(mén)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。當(dāng)水擊振蕩頻率和閘門(mén)的自振頻率性接近時(shí),可能引起閘門(mén)共振,導(dǎo)致其破壞,影響閘門(mén)的安全運(yùn)行。

        2.2 工作閘門(mén)關(guān)閉方式對(duì)水擊壓強(qiáng)特性的影響

        為探究工作閘門(mén)運(yùn)行方式對(duì)泄洪洞水擊壓強(qiáng)特性的影響,保持工作閘門(mén)關(guān)閉時(shí)間不變,改變閘門(mén)關(guān)閉方式(如圖5),數(shù)值模擬水擊壓強(qiáng)。閘門(mén)關(guān)閉規(guī)律按式(12)計(jì)算[5],選取m<1、m=1和m>1 三種典型關(guān)閉規(guī)律。方式Ⅰ中m=0.5,工作閘門(mén)關(guān)閉速度先慢后快;方式Ⅱ中m=1,即閘門(mén)常規(guī)關(guān)閉方式,上文已計(jì)算其水擊壓強(qiáng);方式Ⅳ中m=2,關(guān)閉速度先快后慢;方式Ⅲ參考抽水蓄能電站導(dǎo)葉兩段關(guān)閉規(guī)律,前80%時(shí)間內(nèi),關(guān)閉速度為0.6 m/min,后20%時(shí)間內(nèi),關(guān)閉速度為0.1 m/min。

        (12)

        式中:t為閘門(mén)運(yùn)行時(shí)間;Ts=1 524 s,為閘門(mén)啟閉總時(shí)間。

        圖5 閘門(mén)關(guān)閉方式Fig.5 Closing ways of working gate

        由以上研究可知,閘門(mén)關(guān)閉時(shí),壓強(qiáng)逐漸增大,不發(fā)生水擊,水擊發(fā)生于閘門(mén)完全關(guān)閉后。圖6表示不同工作閘門(mén)運(yùn)行方式下,閘門(mén)關(guān)閉后的水擊壓強(qiáng)變化情況。

        分析圖6可知:①上述4種工作閘門(mén)關(guān)閉方式中,方式Ⅰ是最不利的工作閘門(mén)關(guān)閉方式。閘門(mén)關(guān)閉過(guò)程中,水擊壓強(qiáng)振蕩劇烈,最大水擊壓強(qiáng)為141.08 m水柱,是恒定流時(shí)壓強(qiáng)的1.76倍,水擊壓強(qiáng)的大幅變化,且振蕩時(shí)間較長(zhǎng),可能引起閘門(mén)結(jié)構(gòu)振動(dòng)。②方式Ⅲ和方式Ⅱ相比,水擊壓強(qiáng)振幅明顯減小,最大振幅僅為勻速關(guān)閉方式下的18.69%。③方式Ⅳ是工作閘門(mén)四種運(yùn)行方式中最優(yōu)的關(guān)閉方式,閘門(mén)關(guān)閉過(guò)程中徹底消除了水擊。

        圖6 閘門(mén)不同關(guān)閉方式下壓強(qiáng)時(shí)程圖Fig.6 Time-history of pressure in different closing ways of working gate

        圖7(a)表示以方式Ⅳ關(guān)閉閘門(mén)時(shí),閘門(mén)關(guān)閉速度的變化情況,圖7(b)表示閘門(mén)關(guān)閉加速度的變化情況。分析圖7可知:當(dāng)工作閘門(mén)以適當(dāng)恒定加速度關(guān)閉時(shí),可以避免水擊的產(chǎn)生。

        3 結(jié) 論

        通過(guò)利用特征線法對(duì)青海省某水電站泄洪洞水擊的數(shù)值模擬,得到如下結(jié)論。

        (1)當(dāng)工作閘門(mén)勻速關(guān)閉時(shí),盡管關(guān)閉速度很小,仍會(huì)引起水擊壓強(qiáng)振蕩。水擊發(fā)生于閘門(mén)關(guān)閉后階段,水擊壓強(qiáng)振幅按指數(shù)規(guī)律遞減。

        (2)工作閘門(mén)運(yùn)行方式是泄洪洞水擊的重要影響因素。水擊壓強(qiáng)振幅與工作閘門(mén)運(yùn)行方式密切相關(guān),工作閘門(mén)關(guān)閉速度先慢后快的變速運(yùn)行方式,壓強(qiáng)變化幅度很大,甚至?xí)a(chǎn)生負(fù)壓,不利于閘門(mén)結(jié)構(gòu)的受力,容易引起閘門(mén)振動(dòng)。工作閘門(mén)關(guān)閉速度先快后慢的運(yùn)行方式可有效減小水擊

        圖7 方式Ⅳ下閘門(mén)關(guān)閉速度和加速度時(shí)程圖Fig.7 Time-history of velocity and acceleration of gate in the way of Ⅳ

        壓強(qiáng)振幅,甚至可以避免水擊的產(chǎn)生。當(dāng)以適當(dāng)恒定加速度關(guān)閉工作閘門(mén)時(shí),可完全消除水擊,非常有利于閘門(mén)安全運(yùn)行。

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