，， ，

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010；2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣州 510640)

水工附環(huán)閘門閉門過(guò)程水力特性數(shù)值模擬研究

文林森1，王才歡1，楊偉1，陳東新2

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010；2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣州 510640)

基于VOF方法對(duì)某水電站中孔事故附環(huán)閘門閉門過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。采用三維標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算了相關(guān)水流特性，通過(guò)對(duì)閘門區(qū)流道、門葉孔道以及閘門井內(nèi)流線運(yùn)動(dòng)、流速分布、壓強(qiáng)分布及門葉所受動(dòng)水荷載等進(jìn)行計(jì)算分析，得到了事故閘門閉門過(guò)程中的相關(guān)水力參數(shù)隨閘門開度變化的曲線。研究成果可為類似閘門體型的設(shè)計(jì)運(yùn)行以及工程體型優(yōu)化提供依據(jù)。

附環(huán)閘門；VOF方法；k-ε紊流數(shù)學(xué)模型；動(dòng)水荷載；水力參數(shù)；閘門開度

1 研究背景

閘門作為泄水建筑物的重要組成部分之一，其開啟或關(guān)閉的動(dòng)態(tài)過(guò)程中水力特性的變化對(duì)建筑物安全十分重要。了解閘門開啟或者關(guān)閉過(guò)程中相關(guān)水力參數(shù)的變化規(guī)律對(duì)閘門體型的設(shè)計(jì)運(yùn)行以及工程體型優(yōu)化都有著深遠(yuǎn)的意義[1-3]。附環(huán)閘門是比較新穎的一種閘門型式，其增設(shè)的附環(huán)結(jié)構(gòu)使得閘門開啟時(shí)門槽部分得到回補(bǔ)，從而使得整個(gè)流道呈圓形斷面[4]。在高工作水頭下，水流出閘流速大，高速水流使門槽易出現(xiàn)空蝕空化問(wèn)題，而附環(huán)閘門由于其獨(dú)特的圓形斷面流道，相當(dāng)于泄洪時(shí)無(wú)門槽，可相應(yīng)地減輕或避免空蝕空化問(wèn)題。

當(dāng)前由于附環(huán)閘門在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用相對(duì)較少，故對(duì)于該種型式的水工閘門研究還不是很全面。在此情況下，對(duì)該類新型水工閘門的研究顯得意義深遠(yuǎn)。本文采用三維標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流數(shù)學(xué)模型[5]模擬計(jì)算事故閘門閉門過(guò)程中的相關(guān)水力特性，較為全面地給出了流線運(yùn)動(dòng)、流速分布、壓強(qiáng)分布及門葉所受動(dòng)水荷載等水力參數(shù)的變化規(guī)律，分析其可能存在的一些問(wèn)題，為工程設(shè)計(jì)提供參考。

2 數(shù)學(xué)模型

本文采用三維標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流數(shù)學(xué)模型模擬附環(huán)事故閘門流道水流流場(chǎng)，模型所用的控制方程如下。

連續(xù)方程，

(1)

動(dòng)量方程，

(2)

k方程，

Gκ+Gb-ρε-YM+Sk;

(3)

ε方程,

(4)

式中：t為時(shí)間；ui，uj，xi，xj分別為速度分量與坐標(biāo)分量；ν為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù);νt為紊動(dòng)黏性系數(shù),νt=ρCuκ2/ε；ρ為修正壓力；fi為質(zhì)量力；Gκ為平均速度梯度所引起的紊動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng);Gb為浮力影響引起的紊動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓縮紊流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響；C1ε，C2ε，C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk和σε分別是與紊動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；Sk和Sε是用戶定義的源項(xiàng)。

自由面采用VOF方法[6]進(jìn)行處理，令函數(shù)αw(x,y,z,t)代表控制體積內(nèi)水所占的體積分?jǐn)?shù)，αa(x,y,z,t)代表控制體積內(nèi)氣所占的體積分?jǐn)?shù)。兩者之和為1，即

αw+αa=1。

(5)

對(duì)于單個(gè)控制體積，存在3種情況：αw=1表示該單元被水充滿；αw=0表示該單元被氣充滿；0<αw<1表示該單元水、氣并存，且存在水、氣交接面。顯然，自由面問(wèn)題為第3種情況。αw是水的體積分?jǐn)?shù)，其梯度可用來(lái)確定自由面的法線方向。計(jì)算出各單元的αw值及梯度之后，就可確定各單元中自由邊界的近似位置。

水的體積分?jǐn)?shù)αw的控制方程為

(6)

求解該連續(xù)方程完成對(duì)水氣界面的跟蹤。

表1 不同開度下閘門受力及各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)Table 1 Forces of the gate and pressure values of each measuring point in the presence of different openings

3 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格及邊界條件

圖1 模型示意圖Fig.1 Sketch of model

數(shù)模選取事故附環(huán)閘門作為主要研究對(duì)象。上游模擬至水庫(kù)前50 m，后接整個(gè)壓力管道段、事故門井、門后水平段及變管徑段，為確保計(jì)算收斂性，在壓力管道后銜接100 m長(zhǎng)下游河道。事故閘門附環(huán)尺寸為直徑D=5.44 m，管道底部高程749.88 m，模擬庫(kù)水位H庫(kù)=875.0 m閘門關(guān)閉過(guò)程工況，模型整體情況見圖1。

附環(huán)閘門在閉門過(guò)程中，其門井段的水流邊界條件比較復(fù)雜，當(dāng)門葉的環(huán)孔圓心與泄洪孔道中心重疊時(shí)，附環(huán)閘門處于全開狀態(tài)；隨著閘門的關(guān)閉,通過(guò)門葉的水流孔道從圓孔形逐漸變?yōu)檠劬π?，最終閉合斷流。在門井的上游壁面上，沿泄洪孔道的圓周布置了環(huán)形止水結(jié)構(gòu)，在附環(huán)閘門閉門過(guò)程中，環(huán)形止水結(jié)構(gòu)與門葉之間、門井上游壁面與門葉之間均形成縫隙流；在門葉的下游，泄洪孔道的鋼襯伸出門井下游壁面，形成環(huán)形體，在門葉與門井下游壁面及環(huán)形體之間形成縫隙流。另外，在門葉的左右兩側(cè)，還布置了眾多的水平支撐板，其與門井左右壁面之間也會(huì)形成縫隙流。這些特殊的結(jié)構(gòu)及水流運(yùn)動(dòng)決定了網(wǎng)格劃分的艱巨性。在網(wǎng)格劃分中為了保證計(jì)算穩(wěn)定并快速收斂，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并將門井段切成大小不同的眾多小塊進(jìn)行細(xì)部劃分。鑒于門井段是計(jì)算重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，門葉前縫隙段網(wǎng)格尺寸僅2.3 mm，網(wǎng)格十分密集。附環(huán)閘門關(guān)閉至相對(duì)開度0.6時(shí)的門井段局部網(wǎng)格示意圖見圖2。

模型以上游水流邊界為庫(kù)水位，設(shè)定為壓力入口邊界；下游河道出口按照一定的水位設(shè)置為壓力出口，水位的設(shè)定保證壓力管道出口為自由出流，該模型中設(shè)定的下游河道水面線低于壓力管道出口底高程7 m；與空氣接觸的邊界為大氣壓力邊界；其他均做固壁邊界處理，固壁邊界規(guī)定為無(wú)滑移邊界條件。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 壓強(qiáng)分布

定義閘門水平方向所受荷載沿水流方向?yàn)檎?，反之為?fù)；閘門豎直方向所受荷載以使吊桿受拉為正、受壓為負(fù)。數(shù)模計(jì)算了閉門過(guò)程中不同開度下閘門水平方向及豎直方向所受荷載大小(不含門重)及閘門環(huán)孔、流道各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng),如表1、表2及圖3、圖4、圖5所示。

表2 閘門不同相對(duì)開度時(shí)的門井前后管道各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)Table 1 Pressure values of each measuring point in the pipeline in front of and behind the gate well in the presence of different relative openings of sluice gate

注：各測(cè)點(diǎn)距離門井壁面均為0.1 m

圖3 不同相對(duì)開度下閘門動(dòng)水荷載曲線Fig.3 Curves of hydrodynamic load in the presence of different relative openings

圖4 不同相對(duì)開度下各點(diǎn)壓強(qiáng)曲線Fig.4 Curves of pressure on each point in the presence of different relative openings

圖5 不同相對(duì)開度時(shí)的門井后管道最底部壓強(qiáng)沿程分布Fig.5 Curves of pressure on the bottom of pipeline behind the gate well along the path in the presence of different relative openings

從表1、表2及圖3、圖4、圖5可看出，隨著閘門逐漸關(guān)閉，壓力管道泄流量逐漸減小；閘門水平所受荷載逐漸增大，豎直方向荷載呈先增大后減小趨勢(shì)，在0.7，0.8開度時(shí)豎直方向荷載達(dá)最大；隨著閘門逐漸關(guān)閉，閘門環(huán)孔頂部靠近上游一側(cè)及靠近下游一側(cè)的兩點(diǎn)壓強(qiáng)迅速減小，在閘門關(guān)閉至0.8～0.7開度時(shí)，環(huán)孔頂部測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)已處于真空狀態(tài)，隨后測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)上升并呈波狀變化，其最低壓強(qiáng)未低于-1.0×9.81 kPa；在門葉的環(huán)孔底部及側(cè)壁，各測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)變化規(guī)律基本一致，壓強(qiáng)都較大，均在27×9.81 kPa以上；門井后流道頂部測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)也隨著閘門逐漸關(guān)閉而迅速減小，當(dāng)閘門開度在0.7附近時(shí)，測(cè)點(diǎn)壓力已處于真空狀態(tài)；當(dāng)閘門關(guān)閉至0.6開度時(shí)，由于流道出口與外部大氣貫通，閘門后管道頂部測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)迅速上升，基本上都處于補(bǔ)氣小負(fù)壓狀態(tài)，其負(fù)壓絕對(duì)值均<0.3×9.81 kPa。鑒于數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)未考慮閘門后通氣管的自動(dòng)補(bǔ)氣功能，閘門后管道頂部測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)在開度0.8～0.7時(shí)出現(xiàn)較大負(fù)壓應(yīng)為虛擬狀態(tài)，實(shí)際的負(fù)壓值應(yīng)小一些。

從表2中距離事故閘門井前后邊壁0.1 m的流道各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)與閘門開度關(guān)系來(lái)看，門井前管頂及管道腰部測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)變化規(guī)律均隨閘門的關(guān)閉而增大；門井后管頂及管道腰部測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)則是先迅速減小，在開度0.8～0.7時(shí)形成真空狀態(tài)，然后在開度0.6附近恢復(fù)至(4～6)×9.81 kPa的壓強(qiáng)，之后壓強(qiáng)基本在零壓附近波動(dòng)；門井前后管底兩測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)，在開度1.0～0.7區(qū)間，兩測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)緩慢減小，在開度0.6附近壓強(qiáng)分別突然躍升約20×9.81 kPa，10×9.81 kPa，之后，門井前測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)逐漸增大，而門井后測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)則逐漸減小。

從圖5的門井后管道最底部沿程壓強(qiáng)分布可看出，在事故閘門不同開度時(shí)，門井后管道底部沿程壓強(qiáng)分布規(guī)律基本一致。即在距離門井大約0.2～0.3 m區(qū)段壓強(qiáng)降低，在距離門井大約0.6～0.8 m區(qū)段壓強(qiáng)升高，之后壓強(qiáng)沿程減??；在閘門開度0.2及以上時(shí)，管道最底部沿程均未出現(xiàn)負(fù)壓強(qiáng)，在閘門開度0.1時(shí)，管道底部末端有不超過(guò)-1.0×9.81 kPa的壓強(qiáng)。

4.2 閘門啟閉力分析

事故閘門在各種開度時(shí)所受動(dòng)水荷載及相關(guān)計(jì)算如表3所示，閘門門重97.8×9.81 kN，閘門啟閉過(guò)程中門、軌間摩擦系數(shù)為0.09。

表3 事故閘門啟閉力計(jì)算Table 3 Calculation for the opening and closing force on emergency gate

圖6 不同相對(duì)開度流場(chǎng)流線示意圖Fig.6 Streamlines in the flow field in the presence of different relative openings

在事故閘門閉門過(guò)程中，門葉與啟閉機(jī)之間的連接桿先承受拉力，后承受壓力；連桿最大拉力為312.1×9.81 kN，發(fā)生在約0.8開度，其最大壓力為168.3×9.81 kN，發(fā)生在0.1開度。在事故閘門動(dòng)水啟門過(guò)程中，門葉與啟閉機(jī)之間的連接桿始終處于受拉狀態(tài)，在閘門開度0.1～0.7區(qū)間，閘門連接桿拉力逐漸增大，之后連接桿拉力逐漸減小，其連桿拉力最大值為475.1×9.81 kN。

4.3 流態(tài)及流速分布

數(shù)模提取不同開度下流線示意圖，并截取相應(yīng)斷面進(jìn)行流速分布分析。圖6、圖7給出閘門關(guān)閉過(guò)程中閘門相對(duì)開度e=1.0,0.8,0.5,0.2時(shí)的流場(chǎng)流線示意圖和沿管道中心縱剖面斷面流速分布示意圖。

圖7 不同相對(duì)開度沿管道中心線縱剖面斷面流速分布Fig.7 Velocity distribution on the longitudinal section along the center line of the pipeline in the presence of different relative openings

由圖6可看出：閘門逐漸關(guān)閉，靠近管壁的水流流線一部分急劇彎曲匯入主流道，另一部分則通過(guò)閘門與門井間的空隙以輻射狀繞過(guò)閘門頂或底，或者從閘門兩側(cè)匯入下游主流道；水流通過(guò)止水環(huán)與門葉之間的縫隙后部分流體直接繞過(guò)門葉，而部分流體則在止水環(huán)附近形成螺旋流；閘門左右兩側(cè)各支撐板上下一定范圍內(nèi)的水流形成大小不一的漩渦。

從圖7可看出：閘門全開時(shí)門井前流道流速大小與門井內(nèi)門葉孔道流速大小基本一致，進(jìn)入變管徑段后流速稍有增大；其他開度下，隨著閘門逐漸關(guān)閉，門井前流道流速逐漸減小，門井內(nèi)門葉孔道流速則因過(guò)流面積減小而增大。從斷面流速分布圖看出，閘門關(guān)閉過(guò)程中流道內(nèi)流速逐漸減小，靠近門井的流道頂流速減小幅度較大；水流進(jìn)入門井孔道后，隨著過(guò)水孔道面積的減小，該部位流速相應(yīng)增大。在門井后流道段，隨著閘門逐漸關(guān)閉，門后管道頂部區(qū)形成反向漩滾流，流速減小，并且小流速區(qū)域不斷增大，主流靠近流道底部。數(shù)模顯示，閘門全開時(shí)，門葉環(huán)孔內(nèi)流速變化不大，流速分布較為均勻，門井及縫隙內(nèi)流均較??；在門后等管徑流道末端，主流速集中于管中心部位，到漸變管中段，斷面流速分布已趨均勻。隨著閘門逐漸關(guān)閉，門葉的過(guò)流孔口位置相對(duì)于管道中心逐漸下移，門葉過(guò)流孔口面積亦逐漸減小，其結(jié)果是，通過(guò)門葉孔道的流速逐漸增大，最大流速超過(guò)40 m/s；水流進(jìn)入門井后主流道后，主流逐漸集中于管底，并在閘門開度0.6附近形成明流，其管道上部反映的是水氣及水翅混合流。閘門不同開度下的門后管道水流質(zhì)點(diǎn)最大流速vmax及位置如表4所示。

表4 不同相對(duì)開度下門井后流道最大流速及位置Table 4 Maximum flow velocity and its position on the channel behind the gate well in the presence of different relative openings

從表中計(jì)算成果可以看出，在閘門處于全開狀態(tài)時(shí)，其門后等直徑管道和漸變管道的最大流速分別為35.1,43.1 m/s；在閘門關(guān)閉過(guò)程中，等直徑管道和漸變管道的最大流速則分別達(dá)到45.2,48.0 m/s。

5 結(jié) 論

(1) 隨著閘門開度逐漸減小，門葉環(huán)孔頂部各測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)急劇減小，在0.8～0.7開度時(shí)，壓強(qiáng)已處于真空狀態(tài)，隨后壓強(qiáng)呈波動(dòng)上升；門井后流道頂部壓強(qiáng)也隨著閘門逐漸關(guān)閉而迅速減小，在0.7開度時(shí)也達(dá)到真空狀態(tài)。在閘門0.6開度及以下時(shí)，門后流道內(nèi)水流呈現(xiàn)明流狀態(tài)，有空氣進(jìn)入，各負(fù)壓區(qū)的壓強(qiáng)絕對(duì)值均相應(yīng)減小。

(2) 在閘門閉門過(guò)程中，閘門前管道上部的水流流線一部分急劇彎曲匯入逐漸減小的門葉環(huán)孔，另一部分則通過(guò)門葉與門井壁面間的縫隙呈輻射狀繞過(guò)門葉進(jìn)入下游流道；水流通過(guò)止水環(huán)與門葉之間的縫隙后，有的水流直接繞過(guò)門體，有的水流則在止水環(huán)附近形成螺旋流；在閘門左右兩側(cè)的部分支撐板附近，也有大小不一的漩渦流形成。隨著門葉環(huán)孔過(guò)流面積逐漸減小，通過(guò)門葉局部環(huán)孔及門后流道底部的流速則逐漸增大，最大流速可達(dá)48 m/s。

(3) 閘門閉門過(guò)程中，門葉與啟閉機(jī)之間的連接桿先承受拉力，后承受壓力；其最大拉力發(fā)生在約0.8開度，其最大壓力發(fā)生在0.1開度；工程應(yīng)用中在考慮啟閉力問(wèn)題時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注上述開度附近啟閉機(jī)容量是否滿足要求。

(4) 本研究方法基本合理，計(jì)算結(jié)果基本可靠，可為類似閘門體型的設(shè)計(jì)運(yùn)行以及工程體型優(yōu)化提供依據(jù)。

[1] 王 韋,楊永全,許唯臨,等.孔板泄洪洞事故閘門動(dòng)水下門實(shí)驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào),2003,34(1):39-44.

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(編輯：劉運(yùn)飛)

Numerical Simulation on Hydraulic Characteristics inthe Shutting Process of Ring Gate

WEN Lin-sen1,WANG Cai-huan1,YANG Wei1,CHEN Dong-xin2

(1.Hydraulics Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China; 2.School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

The shutting process of emergency ring gate was simulated through volume of fluids (VOF) method.The flow characteristics were calculated by the 3-D standardk-εturbulence model.The flow characteristics include streamline motion,velocity distribution,and pressure distribution in the gate channel,gate flap channel and gate well,as well as dynamic water load on the gate.Curves of the hydraulic parameters vs.the opening of gate in the shutting process were obtained.The results provide basis for the design and operation of similar gate pattern.

ring gate; VOF method;k-εturbulence model; dynamic water load; hydraulic parameters; opening of gate

TV663.2

A

1001-5485(2017)10-0068-06

2016-07-14；

2016-10-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51379020，51279013)

文林森(1992-)，男，安徽六安人，碩士研究生，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)方面的研究，(電話)17816601563(電子信箱)wenlinlinsen@163.com。

10.11988/ckyyb.20160713 2017,34(10):68-73