徐 波，高 琛，陸偉剛，許偉健，畢 超，劉鵬程

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引 言

由于平原地區(qū)的實(shí)際地形及工程投資等其他客觀因素的限制，閘站結(jié)合布置已經(jīng)成為平原地區(qū)常見的形式。閘站結(jié)合布置方式雖然解決了客觀因素的限制，但卻非常容易引起樞紐工程上游流態(tài)的特殊化和復(fù)雜化[1]。針對(duì)一般性的閘站結(jié)合工程，即閘不具有通航要求時(shí)，為了改善泵站進(jìn)水池和前池的不良流態(tài)，前人對(duì)前池和進(jìn)水池進(jìn)行了整流優(yōu)化研究，采用了導(dǎo)流裝置、底坎、壓水板、導(dǎo)流墩、組合式導(dǎo)流墩等不同的整流措施，且都取得了較好的改善效果[2-12]。對(duì)于閘具有通航要求時(shí)，由于導(dǎo)流墩的存在，在導(dǎo)流墩頭部會(huì)產(chǎn)生斜流，當(dāng)其斜流橫向、軸向速度過大時(shí)，容易造成船舶偏離航線、扭轉(zhuǎn)，甚至產(chǎn)生事故[13,14]。

以上優(yōu)化研究大多都集中在一般性的閘站結(jié)合工程，并未考慮到閘站結(jié)合工程閘具有通航要求的情況。本文以某閘站結(jié)合工程為例，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件分析水力特性，以研究該閘站工程布置的合理性以及通航的安全性，并提出優(yōu)化改進(jìn)方案，為類似工程提供參考。

1 數(shù)值模擬研究

1.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)該閘站工程的水力特性特征，前池的雷諾數(shù)為2×105，本文將其視為不可壓縮黏性流體的湍流流動(dòng)，由于泵站尺度較大，在泵站前池、節(jié)制閘前流動(dòng)變化大，故采用兩方程k-ε模型中的RNG(Renormalization Group,重整化群)k-ε求解[15]和SIMPLEC算法[16]對(duì)前池的水力特性進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究，采用10-3作為監(jiān)控收斂參數(shù)精度。

1.2 物理模型參數(shù)

基于三維建模軟件UG和Fluent前處理軟件Gambit，建立了該閘站工程前池及進(jìn)水流道數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域的三維模型，為便于分析研究，將進(jìn)水流道進(jìn)行簡(jiǎn)化延伸，如圖1所示。該閘站結(jié)合模型由引河、泵站前池、泵站進(jìn)水流道、導(dǎo)流墩及節(jié)制閘組成。其中節(jié)制閘布置在引河的右岸，泵站前池布置在引河左岸，中間用導(dǎo)流墩隔開，為典型的閘站結(jié)合布置形式。該閘站結(jié)合式泵站安裝6臺(tái)2900ZLQ-100立式泵，單泵設(shè)計(jì)流量30 m3/s，各泵進(jìn)水流道分別編號(hào)為1～6，其中1號(hào)進(jìn)水流道靠近翼墻，6號(hào)進(jìn)水流道靠近閘站結(jié)合處的導(dǎo)流墩。節(jié)制閘有通航的要求，航道等級(jí)為Ⅴ級(jí)，3個(gè)節(jié)制閘分別編號(hào)為7～9，其中7號(hào)節(jié)制閘靠近導(dǎo)流墩，9號(hào)節(jié)制閘在引河的右岸。

圖2給出該閘站結(jié)合的平面尺寸，導(dǎo)流墩的長(zhǎng)度為15 m，前池及引河底板高程為13.4 m，進(jìn)水池底板高程為11.4 m，節(jié)制閘底板高度為6.65 m。

1-1號(hào)進(jìn)水流道；2-2號(hào)進(jìn)水流道；3-3號(hào)進(jìn)水流道；4-4號(hào)進(jìn)水流道；5-5號(hào)進(jìn)水流道；6-6號(hào)進(jìn)水流道；7-7號(hào)節(jié)制閘；8-8號(hào)節(jié)制閘；9-9號(hào)節(jié)制閘；10-引河；11-前池；12-導(dǎo)流墩?qǐng)D1 計(jì)算區(qū)域示意圖Fig.1 Calculation areaschematic diagram

圖2 平面尺寸示意圖(單位：m)Fig.2 Plane dimensionsschematic diagram

1.3 模型邊界條件

1.3.1 進(jìn)口邊界

將引河進(jìn)水?dāng)嗝孀鳛檫M(jìn)口邊界，進(jìn)口斷面垂直于水流方向，可將此處來水速度看作是均勻分布的。由于抽排流量和自排流量已知，故采用速度進(jìn)口邊界條件，根據(jù)該工況的流量和斷面面積計(jì)算水流速度大小。

1.3.2 出口邊界

抽排工況時(shí)出口邊界設(shè)置在進(jìn)水流道出水?dāng)嗝嫣?；自排工況時(shí)將出口邊界設(shè)置在節(jié)制閘處，并將出水?dāng)嗝嫜由煲员ＷC水流充分發(fā)展，故可采用自由出流邊界條件。

1.3.3 壁面邊界

采用黏性無滑移邊界條件。前池及進(jìn)水流道的壁面區(qū)為低雷諾數(shù)湍流，高雷諾數(shù)湍流模型已不再適用，故采用壁面函數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。壁面函數(shù)法是直接使用半經(jīng)驗(yàn)公式將壁面物理量與湍流求解變量聯(lián)系起來，直接得出相鄰節(jié)點(diǎn)變量值。本次數(shù)值模擬采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法對(duì)壁面進(jìn)行處理。

1.3.4 自由面邊界

進(jìn)水前池中的水流表面為自由水面，水面隨時(shí)間變化不大，故自由水面采用剛蓋假定。

1.4 模型網(wǎng)格劃分

本文進(jìn)水前池、進(jìn)水流道及節(jié)制閘采用GAMBIT軟件自帶的TGrid和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格自動(dòng)生成。為保證計(jì)算精度，經(jīng)計(jì)算比選后，計(jì)算網(wǎng)格規(guī)模數(shù)選定為140萬左右。

2 原設(shè)計(jì)方案數(shù)值模擬

采用上述數(shù)學(xué)模型對(duì)該閘站結(jié)合布置方案進(jìn)行分析研究，然后針對(duì)存在的水流流態(tài)及流速問題來提出相應(yīng)的改進(jìn)措施和建議。

2.1 原設(shè)計(jì)方案布置情況

該閘站結(jié)合布置有泵站和具有通航功能的節(jié)制閘各一座，泵站單機(jī)設(shè)計(jì)流量為30 m3/s，導(dǎo)流墩的長(zhǎng)度為15 m，閘孔總凈寬25.5 m，共3孔，均為通航孔。采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算時(shí)需考慮到該樞紐最不利運(yùn)行時(shí)的工況，即當(dāng)泵站(節(jié)制閘)過流量達(dá)到最大的工況。該閘站結(jié)合上下游水位及流量工況如表1所示，表中的hs為上游水位，hx為下游水位，H為揚(yáng)程，Q為流量。對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，以工況三即1號(hào)、2號(hào)、5號(hào)和6號(hào)機(jī)組運(yùn)行，3號(hào)、4號(hào)機(jī)組和節(jié)制閘都關(guān)閉來作為泵站最不利運(yùn)行工況。節(jié)制閘運(yùn)行工況中，只有工況四即3個(gè)節(jié)制閘全開、泵站機(jī)組全關(guān)閉時(shí)節(jié)制閘通航，其余工況都不通航。

表1 樞紐上、下游水位組合工況表Tab.1 Table of upper and lower water level combination conditions of the hub

注：工況一、二、三都是泵站抽水到下游，工況四是打開閘門排水。

2.2 原設(shè)計(jì)方案數(shù)值模擬結(jié)果分析

由于數(shù)值模擬的三維流場(chǎng)比較復(fù)雜，為直觀立體地觀察和研究前池、引河、節(jié)制閘前和進(jìn)水流道前的流場(chǎng)，數(shù)值模擬結(jié)果采用流場(chǎng)圖及速度分布云圖來反映空間立體流場(chǎng)、流速。

2.2.1 原設(shè)計(jì)方案泵站最不利運(yùn)行工況

最不利運(yùn)行工況即工況三，該工況流量Q=120 m3/s，對(duì)應(yīng)的上游水位hs=21 m、下游水位hx=24.3 m。抽排工況4臺(tái)機(jī)組每臺(tái)流量為30 m3/s?；贔LUENT軟件采用三維湍流流動(dòng)數(shù)值模擬方法對(duì)該工況前池進(jìn)行了計(jì)算。

在泵站最不利運(yùn)行工況下，流場(chǎng)圖如圖3所示，導(dǎo)流墩左邊的節(jié)制閘前并非死水區(qū)，該區(qū)域水流形成回旋區(qū)，該水流繞過導(dǎo)流墩進(jìn)入泵站前池，在導(dǎo)流墩的右側(cè)有一定的脫流現(xiàn)象。在泵站前池的流線都十分平順，當(dāng)越靠近導(dǎo)流墩，流線越發(fā)傾斜，傾斜趨勢(shì)一直持續(xù)到進(jìn)水流道前，1號(hào)和2號(hào)進(jìn)水流道前水流向右傾斜，5號(hào)和6號(hào)進(jìn)水流道前水流向左即導(dǎo)流墩方向傾斜，且在1號(hào)進(jìn)水流道前面層有回旋區(qū)，底層并未發(fā)現(xiàn)回旋區(qū)。

2.2.2 原設(shè)計(jì)方案節(jié)制閘運(yùn)行工況

節(jié)制閘運(yùn)行工況即運(yùn)行工況四，該工況下主要考慮節(jié)制閘有通航要求，其最不利運(yùn)行流態(tài)為回流和斜流，故采用數(shù)值模擬對(duì)原方案下的三維流場(chǎng)、面層流場(chǎng)、橫向速度及軸向速度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖3 原設(shè)計(jì)方案流場(chǎng)圖Fig.3 Original design flow field diagram

圖4 原設(shè)計(jì)方案CFD計(jì)算結(jié)果Fig.4 Original design CFD calculation results

流線圖如4(a)～(b)所示，在節(jié)制閘前流線較平順，沒有回旋區(qū)產(chǎn)生，但在導(dǎo)流墩頭部附近有斜流產(chǎn)生。根據(jù)該工程通航航道等級(jí)，國內(nèi)外對(duì)類似區(qū)域的斜流最大橫向速度限制標(biāo)準(zhǔn)為0.25 m/s，最大軸向流速限制標(biāo)準(zhǔn)為1.5m/s[17]。其橫向速度和縱向速度如圖4(c)～(d)所示，在原始方案布置情況下，導(dǎo)流墩頭部最大橫向流速為0.35 m/s左右，最大縱向流速為1.7 m/s左右，均超過限制標(biāo)準(zhǔn)。

故原設(shè)計(jì)方案下存在的主要問題是：泵站運(yùn)行時(shí)，由于導(dǎo)流墩過短，泵站進(jìn)口偏流過大，前池流態(tài)較差；節(jié)制閘運(yùn)行時(shí)，由于導(dǎo)流墩頭部斜流過大，橫向速度和軸向速度都超過限制標(biāo)準(zhǔn)，影響船舶通航的安全性。因此，需對(duì)該工程原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

3 優(yōu)化方案數(shù)值模擬

為了改進(jìn)泵站前池流態(tài)和通航時(shí)節(jié)制閘前的流態(tài)，設(shè)計(jì)了2種導(dǎo)流墩優(yōu)化工程措施，分別記為優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2。優(yōu)化方案1的措施是將導(dǎo)流墩的長(zhǎng)度延長(zhǎng)為49 m，優(yōu)化方案2的措施是在延長(zhǎng)導(dǎo)流墩的長(zhǎng)度為49 m的基礎(chǔ)上再開孔，導(dǎo)流墩開孔參數(shù)如圖5所示。所述兩種優(yōu)化方案導(dǎo)流墩頂部均高于水面。

3.1 泵站最不利工況優(yōu)化數(shù)值模擬結(jié)果分析

如圖6所示，采用優(yōu)化方案1后，采用加長(zhǎng)后的導(dǎo)流墩，導(dǎo)流墩右側(cè)的脫流現(xiàn)象也基本消失，整個(gè)前池的流線相比原始方案更加平順，1號(hào)進(jìn)水流道前的回旋區(qū)已消失，但在進(jìn)水流道前還是有少許偏流。如圖7所示，采用優(yōu)化方案2后，由于在導(dǎo)流墩開孔，進(jìn)水流道前的水流傾斜程度降低，附近的水流橫向速度減小，軸向速度增大，前池內(nèi)的流態(tài)明顯改善，流道進(jìn)水口水流更加順直。

3.2 節(jié)制閘最不利運(yùn)行工況優(yōu)化數(shù)值模擬結(jié)果分析

優(yōu)化方案1模擬結(jié)果如圖8所示，流場(chǎng)圖見圖8(a)～(b)，由于只對(duì)導(dǎo)流墩進(jìn)行了加長(zhǎng)，斜流還是存在。流速圖如圖8(c)～(d)所示，相比初始方案，延長(zhǎng)導(dǎo)流墩后，導(dǎo)流墩頭部軸向速度得到改善，最大軸向速度為1.4 m/s左右，但對(duì)橫向速度降低的并不明顯，在導(dǎo)流墩的頭部橫向速度還在0.25 m/s左右。當(dāng)導(dǎo)流墩開孔后，數(shù)值模擬結(jié)果如圖9所示，由于墩上開孔，斜流得到改善，相比只延長(zhǎng)導(dǎo)流墩的情況，在導(dǎo)流墩頭部附近橫向速度降低，同時(shí)橫向速度分布明顯改善，在導(dǎo)流墩頭部最大橫向速度為0.21 m/s以下，最大軸向速度為1.15 m/s左右，均達(dá)到通航要求。

圖5 開孔導(dǎo)流墩結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Design of perforated pierdiagram

圖6 優(yōu)化方案1流場(chǎng)圖Fig.6 Optimization scheme 1 flow field diagram

圖7 優(yōu)化方案2流場(chǎng)圖Fig.7 Optimization scheme 2 flow field diagram

圖8 優(yōu)化方案1CFD計(jì)算結(jié)果Fig.8 Optimization scheme 1 CFD calculation results

圖9 優(yōu)化方案2CFD計(jì)算結(jié)果Fig.9 Optimization scheme 2 CFD calculation results

4 結(jié) 論

本文采用CFD對(duì)閘站結(jié)合水流流態(tài)進(jìn)行計(jì)算，通過分析水力特性，研究了閘站工程布置的合理性及通航的安全性。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)原設(shè)計(jì)方案存在的不足，提出了不同的優(yōu)化方案，并采用數(shù)值模擬對(duì)優(yōu)化方案的優(yōu)越性進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

(1)閘站結(jié)合式泵站由于導(dǎo)流墩過短，在泵站運(yùn)行時(shí)導(dǎo)流墩附近容易出現(xiàn)脫流現(xiàn)象，前池面層出現(xiàn)回旋流動(dòng)，進(jìn)水流道前水流會(huì)發(fā)生偏斜，影響泵站的正常運(yùn)行。在閘站通航時(shí)，導(dǎo)流墩頭部易存在斜流，橫向速度和軸向速度過大，影響船舶通航的安全性。

(2)在泵站運(yùn)行時(shí)導(dǎo)流墩延長(zhǎng)能減小前池內(nèi)的回旋范圍，消除導(dǎo)流墩附近的脫流現(xiàn)象，但對(duì)進(jìn)水流道前水流的偏斜改善的并不明顯。而在導(dǎo)流墩延長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)流墩進(jìn)行開孔，能減小進(jìn)水流道前的偏斜。

(3)在節(jié)制閘運(yùn)行需要通航時(shí)，延長(zhǎng)導(dǎo)流墩能有效減小導(dǎo)流墩頭部的軸向速度，但不能有效地降低橫向速度。當(dāng)對(duì)加長(zhǎng)的導(dǎo)流墩進(jìn)行開孔后，能有效地降低橫向速度，從而達(dá)到通航的要求。

(4)本文的研究?jī)H在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行，優(yōu)化措施主要集中在導(dǎo)流墩長(zhǎng)度及形式的改進(jìn)，在通航工況下右岸距導(dǎo)流墩頭部較遠(yuǎn)處還存在一定的回流區(qū)。因此，后續(xù)工作應(yīng)該研究一些綜合優(yōu)化改進(jìn)措施進(jìn)一步減小甚至消除右岸的回流區(qū)。此外，為保證泵站等水工建筑物的安全，還應(yīng)采用物模試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化方案數(shù)值模擬成果的準(zhǔn)確性。

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