呂曉波 李太民 唐 波 施 翔

（1.江蘇省駱運水利工程管理處 江蘇宿遷 223800；2.宿遷市水務勘測設計研究有限公司 江蘇宿遷 223800）

1 工程概況

節(jié)制閘按排洪50年一遇設計，100年一遇校核，設計校核排洪流量1 000 m3/s，建成后將全面提升其所在河段的防洪、排澇、灌溉、發(fā)電等綜合功能。節(jié)制閘共7孔，每孔凈寬10.0 m，閘孔總凈寬70.0 m，閘底板寬20.0 m，底板面高程8.5 m，底板上設新型圓角梯形堰，堰頂高程11.5 m，上游堰高3.0 m，配弧形鋼閘門和繩鼓啟閉機進行閘孔泄流控制；閘墩中墩厚1.2 m，邊墩厚1.0 m，閘墩頂高程20.0 m；節(jié)制閘一側(cè)設2孔3.0 m凈寬小水電孔，設2臺機組，每臺容量160 kW。節(jié)制閘上游設35.0 m寬鋼筋砼護坦，護坦面高程8.5～12.0 m；節(jié)制閘下游消力池長40.0 m，池深2.0 m，池面高程6.0 m；海漫長50.0 m，面高程為6.5～7.5 m，縱坡為3%；拋石防沖槽深3.5 m，面高程6.5 m。

2 節(jié)制閘三維水流數(shù)值模擬

隨著計算機技術的飛速發(fā)展及水動力學計算方法的進步，對水流問題進行數(shù)值模擬研究已被廣泛運用于水利工程。近年來，計算流體力學的廣泛應用，涌現(xiàn)出不少數(shù)值計算軟件，如Flow-3D、Fluent等，其中Flow-3D對水流自由表面有較精確的追蹤優(yōu)勢。本文采用Flow-3D軟件對節(jié)制閘水流流動特性進行數(shù)值模擬研究。

2.1 數(shù)值模擬基本理論

對流體進行數(shù)值模擬的實質(zhì)就是將連續(xù)流體用離散方式在計算機上進行處理，即將時間和空間上都連續(xù)的物理量的場對應成有限多個離散點，建立起一定規(guī)則的變量方程，進行求解。通過調(diào)整變量，計算出其他物理量，從而得到流體各相關量的關系。

2.1.1 控制方程

采用完整的納維-斯托克斯方程[1]（Navier-Stokes equation）作為控制方程:

式中:U=（u，v，w）為流速；ρ為壓力；G 為重力和非慣性力；Τ 為應力張量；K（u，v，w）為拽力；RSOR/ρ為因質(zhì)量注入產(chǎn)生的加速度；F為表面張力等合外力。

2.1.2 紊流模型

流體數(shù)值計算需選擇合適的紊流模型。紊流的數(shù)值模擬通常有直接數(shù)值模擬、大渦數(shù)值模擬和雷諾時均模擬三種。本文研究對象為過閘水流的紊流流動，涉及螺旋流和孔流，部分區(qū)域流線不規(guī)則，水面形態(tài)復雜。RNG k-ε紊流模型比標準k-ε紊流模型能更好地處理高應變率及流線較大彎曲的流動[2]，故采用RNG k-ε模型運用雷諾時均算法對過閘水流進行數(shù)值模擬。

RNG k-ε模型[3]由Yakhot和Orzag于1986年研究提出，其方程形式如下所示:

式中:xi，xj為空間坐標位置；ui為時均流速分量；B為體積力項；p為時均壓強；μ為分子動力粘性系數(shù)；ρ為流體密度；μe為分子有效動力粘性系數(shù)；Gk為產(chǎn)生項。

方程中的系數(shù)分別為:

2.1.3 自由表面模擬

水利工程中大部分水流均帶有自由液面，對自由表面的模擬是數(shù)值模擬的難題之一。國內(nèi)外有關專家針對此問題做出了各種研究，提出了多種處理方法，如 VOF 法[4]、剛蓋假定法[5]、標高函數(shù)法[6]、MAC 法[7]等。本文采用Flow-3D中VOF法模擬自由水面。

VOF法由Dr.Hirt和Dr.Nichols于1975年發(fā)表提出，VOF法的原理是利用流體占據(jù)網(wǎng)格單元的體積比值函數(shù)來追蹤自由面的變化。這種方法不僅能追蹤流體表面上的質(zhì)點，還能追蹤流體表面的變化。VOF法中定義了一個函數(shù)F，表示流體的體積分數(shù)，即單元網(wǎng)格內(nèi)流體體積與網(wǎng)格體積的比值，且每個單元體中只存在一個F函數(shù)。

F函數(shù)滿足如下方程:

由上式可得各單元體中的流體體積分數(shù)F，從而追蹤出自由表面的位置。若F=1，表示整個單元體中完全充滿了流體；若0＜F＜1，表示單元體中含有流體和氣體等其他相的物質(zhì)，即流體未完全充滿單元體；若F=0，則表示單元體中沒有流體。

2.1.4 邊界條件的設定

邊界條件的選擇和設定是CFD數(shù)值模擬的重要組成部分，邊界條件給定模型邊界處的變量以及該變量隨時間或空間的變化規(guī)律。常見的邊界條件有壓力、速度、對稱、自由出流、壁面等邊界條件。

本文針對過閘水流流態(tài)，選擇了速度、壓力、壁面和自由出流四種邊界條件。在壓力進口設置中設定上游水深，出口設置為一定水深的自由出流。

2.2 節(jié)制閘三維模型建立

三維模型以某節(jié)制閘工程為原型，采用CAD繪圖軟件按1∶1比尺建立，然后導入Flow-3D軟件進行數(shù)值模擬，三維模型如圖1所示。模擬范圍為閘前后長度共400.0 m，上游204.0 m，下游196.0 m，涵蓋主要研究區(qū)域。

網(wǎng)格劃分采用Flow-3D中FAVOR技術，用矩形網(wǎng)格描述曲面模型，模擬的準確性較高。FAVOR利用線性差分來刻畫模型面積，能自由捕捉模型表面，用較少的網(wǎng)格模擬復雜問題。因節(jié)制閘附近水流流態(tài)變化較大，為準確模擬水流流態(tài)及捕捉水面線，在節(jié)制閘附近采用網(wǎng)格局部加密技術。節(jié)制閘三維模型共剖分1 574 727個網(wǎng)格，網(wǎng)格接近立方體，均勻有序排列，劃分網(wǎng)格后的三維有限元模型如圖2所示。

圖1 節(jié)制閘三維模型結(jié)構圖

圖2 閘的三維水流模型網(wǎng)格剖分示意圖

2.3 模擬結(jié)果及分析

2.3.1 電站不運行各工況上下游水面線

根據(jù)節(jié)制閘運行情況，電站不過流7孔閘門均勻開啟，校核工況下，上游水位17.5 m，下游水位17.0 m，泄洪閘通過1000.0m3/s流量，閘門開啟高度為4.88 m；設計工況下，上游水位17.0 m，下游水位16.5 m，泄洪閘通過1 000.0 m3/s流量，閘門開啟高度為4.79 m。計算工況表如表1所示。

表1 節(jié)制閘運行計算工況表（電站不運行）

校核及設計工況下上下游水面線如圖3、圖4所示。

圖3 校核工況節(jié)制閘上下游水面線

圖4 設計工況節(jié)制閘上下游水面線

由圖3、圖4可知，校核及設計工況下，上游水位相對穩(wěn)定，水面線無明顯變化。因下游水位較高，出閘水流為淹沒出流，消力池內(nèi)水位有所降低，出消力池后水位逐漸恢復。

2.3.2 電站不運行各工況上下游水流流速分布

電站不運行各運行工況節(jié)制閘上下游水流流速分布如圖5、圖6所示。

圖5 校核工況節(jié)制閘上下游水流流速分布

圖6 設計工況節(jié)制閘上下游水流流速分布

由圖5、圖6可知，校核及設計工況下，上游來流平順，水流流速分布均勻。因電站進水口不過流，主流略偏向左側(cè)，下游消力池及下游渠道右側(cè)有低流速回流區(qū)存在。

2.3.3 電站運行各工況計算

為研究電站運行時節(jié)制閘過流及閘后水流流態(tài)，增加計算電站運行工況，各工況下水流物理參數(shù)如表2所示。

表2 節(jié)制閘運行工況表（電站運行）

各工況下節(jié)制閘上下游水流流速分布如圖7、圖8所示。

圖7 校核工況節(jié)制閘上下游水流流速分布

圖8 設計工況節(jié)制閘上下游水流流速分布

由圖7、圖8可知，校核及設計工況，電站過流情況下，上游來流平順，水流流速分布均勻。因電站側(cè)流量僅有10.0 m3/s，主流略偏向左側(cè)，下游消力池及下游渠道右側(cè)依然有低流速回流區(qū)存在。上游側(cè)電站側(cè)低流速區(qū)存在是因確定水閘與電站分流比而采取分區(qū)處理的原因，上游側(cè)流速分布與真實情況有所差異，但并不會影響下游流速分布。

2.3.4 閘門開啟運行方式計算

節(jié)制閘開啟泄流時，為避免閘下水流出現(xiàn)偏流、回流及折沖水流等不良流態(tài)，節(jié)制閘各閘孔開啟方式一般為同步均勻開啟或?qū)ΨQ開啟。為研究電站運行時，閘門不同開啟方式對水閘過流及閘后水流流態(tài)的影響，進行了閘門運行開啟方式的計算比較，為便于比較，閘下計算水位選取設計工況的16.5 m，并采用相同流量進行研究，計算工況見表3，計算結(jié)果如圖9、圖10、圖11 所示。

表3 閘門開啟運行方式計算工況表

圖9 工況GK1節(jié)制閘下游水流流速分布

圖10 工況GK2節(jié)制閘下游水流流速分布

圖11 工況GK3節(jié)制閘下游水流流速分布

由圖9～圖11可知，在上下游水位一致、過閘流量相同、電站過流情況下，不同的閘門運行方式，節(jié)制閘下游流速分布規(guī)律并不相同。當節(jié)制閘2、4、6孔同步開啟時，因主流集中于節(jié)制閘下游河道中部，兩側(cè)均出現(xiàn)明顯回流區(qū)；當節(jié)制閘1、3、5、7孔同步開啟時，節(jié)制閘下游流速分布相對均勻，因受電站側(cè)過流的影響，節(jié)制閘下游右側(cè)出現(xiàn)較小范圍回流區(qū)；當節(jié)制閘1～7孔同步均勻開啟時，節(jié)制閘下游右側(cè)出現(xiàn)較大范圍回流區(qū)。分析其原因，首先因受電站側(cè)過流的影響；其次節(jié)制閘下泄相同流量下，靠近電站側(cè)閘孔出流水體動量小于其它工況，主流受電站側(cè)回流區(qū)擠壓較強。

3 結(jié)語

本文基于三維水流數(shù)學模型，運用Flow-3D軟件，選取RNG k-ε紊流模型和VOF法模擬了節(jié)制閘不同泄流方式閘下水流的流動規(guī)律；得出電站不同運行工況節(jié)制閘上下游水面線、水流流速分布，閘門不同開啟方式閘下游水流流速分布。數(shù)值模擬結(jié)果可為節(jié)制閘的運行管理及優(yōu)化調(diào)度提供科學依據(jù)。