宋 偉，何士華 ，沈春穎

(昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，昆明 650500)

0 引 言

平面閘門(mén)安裝于水閘、泄水孔和水工隧洞等各種水工建筑物的孔口上，具有調(diào)節(jié)流量，控制上、下游水位的功能，是水工建筑物的重要組成部分[1]。平面鋼閘門(mén)底緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是平面閘門(mén)在設(shè)計(jì)過(guò)程中的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，其形式會(huì)直接影響過(guò)閘的水流狀態(tài)。如果平面閘門(mén)底緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)導(dǎo)致過(guò)閘水流產(chǎn)生負(fù)壓、空蝕破壞和脫流等情況，使閘下部過(guò)流條件變差，引起閘門(mén)振動(dòng)，從而威脅平面閘門(mén)運(yùn)行的安全與可靠。在實(shí)際工程中，常見(jiàn)的平面閘門(mén)底緣形式有4種，詳見(jiàn)圖1所示。

圖1 閘門(mén)底緣結(jié)構(gòu)形式 fig1 Gate bottom edge structure type

平底閘門(mén)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，但是理論和實(shí)踐證明，平底式閘門(mén)的過(guò)流條件較差，因此適用于一些流速較小、水頭低的閘門(mén)使用。水利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)水工閘門(mén)的底緣傾角結(jié)構(gòu)布置提出了以下要求[2]：工作平面鋼閘門(mén)和事故平面鋼閘門(mén)下游傾角應(yīng)不小于30°，當(dāng)平面鋼閘門(mén)支承在非水平底檻上時(shí)，其夾角可適當(dāng)增減。當(dāng)不能滿足30°要求時(shí)，應(yīng)采用適當(dāng)補(bǔ)氣措施。對(duì)于部分利用水柱的平面鋼閘門(mén)，其上游傾角不應(yīng)小于45°，宜采用60°。

對(duì)于閘門(mén)底緣結(jié)構(gòu)形式，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究工作。Thang N D[3]于1986年研究了平底式鋼閘門(mén)在過(guò)閘水流激勵(lì)下垂直方向的振動(dòng)情況，同時(shí)得出了閘門(mén)垂向振動(dòng)與閘門(mén)的結(jié)構(gòu)形式、閘門(mén)開(kāi)度和過(guò)閘水流特性等因素有關(guān)。Mohammed A Y[4]研究了不同閘門(mén)底緣結(jié)構(gòu)對(duì)閘門(mén)振動(dòng)的影響，分析的方向包括閘門(mén)的上托力、下吸力和空蝕情況等。國(guó)內(nèi)方面，黃金林[5]介紹了水利工程中平面鋼閘門(mén)普遍采用的幾種底緣結(jié)構(gòu)形式，分析了平面鋼閘門(mén)底緣形式對(duì)過(guò)閘水流流態(tài)的影響，并介紹了平面鋼閘門(mén)底緣結(jié)構(gòu)形式選擇的相關(guān)因素以及其適用情況。針對(duì)高水頭平面事故閘門(mén)的水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，章晉雄[6]采用物理模型試驗(yàn)的方法，開(kāi)展了鋼平面鋼閘門(mén)動(dòng)水關(guān)閉的水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，討論了平面鋼閘門(mén)水頭、流量和平面鋼閘門(mén)底緣結(jié)構(gòu)形式對(duì)過(guò)閘水流的流態(tài)及其平面鋼閘門(mén)水動(dòng)力特性的影響。劉昉[7]采用RNG模型和VOF方法，結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，對(duì)高水頭平面鋼閘門(mén)閉門(mén)過(guò)程中水力學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，探究不同平面鋼閘門(mén)底緣形式下平面鋼閘門(mén)的水力學(xué)特性，研究表明：不同的閘門(mén)底緣形式對(duì)平面鋼閘門(mén)啟閉力影響顯著,并得出前傾角底緣結(jié)構(gòu)形式的平面鋼閘門(mén)啟閉力最小，其底緣壓力脈動(dòng)較小，不易出現(xiàn)空蝕破壞。張學(xué)森[8]基于流固耦合數(shù)值模擬方法,以閘后發(fā)生淹沒(méi)水躍的潛孔式平面鋼閘門(mén)為研究對(duì)象,對(duì)不同底緣結(jié)構(gòu)形式閘門(mén)的啟閉力、底部負(fù)壓及靜動(dòng)力特性進(jìn)行分析比較。徐國(guó)賓[9]采用方程紊流模型與物體移動(dòng)模型相結(jié)合的方法，對(duì)平面閘門(mén)啟閉過(guò)程中的動(dòng)水垂直力進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，以積石峽水電站泄洪洞閘門(mén)為例，分析了閘門(mén)不同底緣形式和不同啟閉速率在閘門(mén)啟閉過(guò)程中對(duì)動(dòng)水垂直力的影響及動(dòng)水垂直力在閘門(mén)啟閉過(guò)程中的變化規(guī)律。Kostecki S W[10]采用渦流法和邊界元法相結(jié)合的數(shù)值方法，對(duì)垂直升力閘門(mén)附近的二維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。在實(shí)踐中，隧道式平底升船機(jī)閘門(mén)由于旋渦從閘門(mén)底緣分離，以及近尾流速度波動(dòng)，承受較強(qiáng)的水動(dòng)力載荷。Thang N D[11]研究了在明渠和入口條件下，不同閘門(mén)底和條件下立式升力閘門(mén)的非定常載荷和振動(dòng)特性。在所有情況下，當(dāng)完全分離與門(mén)底流動(dòng)之間的流動(dòng)時(shí)，振動(dòng)都發(fā)生在特定的速度參數(shù)范圍內(nèi)。迄今為止，關(guān)于過(guò)閘水流數(shù)值模擬的研究大多局限于平底閘門(mén)和上下游不全為有壓情況下的數(shù)值模擬[12-14]。而針對(duì)閘門(mén)底緣為不同形狀且上下游為有壓情況下的過(guò)閘水流其水流結(jié)構(gòu)以及壓力的變化特征還未有深入的研究。本文根據(jù)閘門(mén)不同的底緣結(jié)構(gòu)系統(tǒng)地模擬出了不同的閘門(mén)底緣結(jié)構(gòu)對(duì)過(guò)閘水流的壓力分布、流線圖、壓力的全程變化，并獲得了壓力功率譜圖，為水利工程實(shí)踐提供參考。

1 計(jì)算模型與方法

采用Box濾波函數(shù)，對(duì)不可壓縮黏性流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)方程和Navier-Stokes方程組作濾波處理后得：

(1)

(2)

i，j=1, 2

(3)

式(3)中，第1項(xiàng)稱(chēng)為L(zhǎng)eonard應(yīng)力，第2項(xiàng)為交叉應(yīng)力，第3項(xiàng)為雷諾應(yīng)力。Leonard應(yīng)力和交叉應(yīng)力影響較小，一般忽略不計(jì)。由此，式(2)又可表達(dá)為

(4)

關(guān)于亞格子尺度應(yīng)力的計(jì)算，本文采用Smagorinsky模型，其定義為：

(5)

2 計(jì)算結(jié)果和分析

2.1 模型選擇

某平面閘門(mén)結(jié)構(gòu)，水閘開(kāi)度取為0.16 m，設(shè)置進(jìn)口為速度入口邊界條件，其中進(jìn)口流速為10 m/s；水閘下游設(shè)置為壓力出口邊界條件；水流壁面條件選用無(wú)滑移條件。流體計(jì)算域截取長(zhǎng)度為6 m，網(wǎng)格質(zhì)量均大于等于0.95。圖2(a)為模型的具體尺寸示意圖。圖2(b)圖為第二組閘門(mén)及流場(chǎng)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為9 508個(gè)。

圖2 模型幾何尺寸及網(wǎng)格剖分(單位：m) Fig 2 Geometric Dimensions and mesh Generation of Model

參照《水利水電工程鋼平面鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，按照上、下游傾角角度不同設(shè)置為4組：第一組為平底閘門(mén)[詳見(jiàn)圖1(a)]，第二組為上游傾角45°，下游傾角30°[詳見(jiàn)圖1(b)]，第三組上游傾角60°，下游傾角30°[詳見(jiàn)圖1(c)]；第四組上游傾角60°，下游傾角45°[詳見(jiàn)圖1(d)]。

2.2 計(jì)算結(jié)果

本次計(jì)算總時(shí)間長(zhǎng)度為20 s，時(shí)間步長(zhǎng)間隔為0.01 s。圖3為t=20 s時(shí)四組閘門(mén)的流場(chǎng)壓力分布云圖。從圖3中可以看出，四組閘門(mén)上游壓力遠(yuǎn)大于閘門(mén)下游壓力，在閘門(mén)底緣附近位置壓力迅速下降，閘門(mén)后部壓力分布隨時(shí)間變化趨于均勻。在t=0.5 s時(shí)刻，第二、三、四組閘門(mén)底緣的低壓區(qū)向下游移動(dòng)到底緣下游傾角附近。只有第一組平底閘門(mén)底部正下方存在明顯的負(fù)壓區(qū)，而其他三組由于存在一定的傾角，對(duì)過(guò)閘水流有一定的引流作用，從安全方面考慮，選擇有傾角的閘門(mén)的底緣比較合適。

圖3 四組閘門(mén)流場(chǎng)壓力分布(t=20 s) fig 3 Pressure distribution of flow field in four groups of gates (t=20 s)

在閘門(mén)底緣正中間設(shè)置一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，計(jì)算四組閘門(mén)在全過(guò)程中的壓力脈動(dòng)，如圖4(a)到4(d)所示。從脈動(dòng)壓力時(shí)程圖可以看出，第一組閘門(mén)和其他三組雖然壓力變化趨勢(shì)相似，其底部底緣存在明顯的負(fù)壓區(qū)存在，比其他三組的壓力脈動(dòng)值要大，因此對(duì)閘門(mén)安全運(yùn)行有明顯的影響。以監(jiān)控點(diǎn)為例，第一組最大值為0.445 MPa，第二組最大值為0.407 8 MPa，第三組最大值為0.405 8 MPa，第四組最大值為0.407 9 MPa，其他三組因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)類(lèi)似，所以對(duì)過(guò)閘水流的影響也是類(lèi)似的。

圖4 四組閘門(mén)監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)程曲線 fig 4 Time-history curve of fluctuating pressure at four groups of gate monitoring points

本次模型選用的是大渦模型(LES)，通過(guò)壓力時(shí)程曲線計(jì)算求得頻譜圖，圖5是四組模型監(jiān)控點(diǎn)在計(jì)算過(guò)程中的功率譜密度圖，第一組的主頻最大，其值為4.09 Hz，第二組的主頻為3.55 Hz，第三組的主頻為0.25 Hz，第四組的主頻為2.23 Hz。

因?yàn)榈诙⑷?、四組閘門(mén)底緣都有傾角，所以流線圖類(lèi)似，所以選取第一組和第二組閘門(mén)流線圖進(jìn)行對(duì)比。圖6為所設(shè)定的兩組閘門(mén)在t=5、10、15、20 s時(shí)刻的流線圖，其中第一組平底閘門(mén)底緣沒(méi)有角度，一開(kāi)始會(huì)存在三個(gè)漩渦，隨著時(shí)間的推移，漩渦向上游運(yùn)動(dòng)，最后穩(wěn)定的時(shí)候在回流區(qū)會(huì)存在兩個(gè)漩渦；而其他三組帶有前后傾角的閘門(mén)底部的流線分布有明顯的不同，漩渦由開(kāi)始的三個(gè)，慢慢向上游運(yùn)動(dòng)，合成一個(gè)大漩渦，因此回流區(qū)中只存在一個(gè)漩渦。

圖7為第一組閘門(mén)負(fù)壓區(qū)放大圖。沿前緣流動(dòng)的渦旋粒子從拐角處流過(guò)，在門(mén)下形成了一條恒定的渦旋路徑。一個(gè)渦旋出現(xiàn)在門(mén)的底部，過(guò)了一段時(shí)間后，它從底部邊緣產(chǎn)生，引起邊緣壓力的準(zhǔn)周期性變化。旋渦與從門(mén)的后邊緣流出的水流

圖5 四組閘門(mén)監(jiān)測(cè)點(diǎn)功率譜密度圖 fig 5 Power spectral density diagram of four groups of gate monitoring points

圖6 兩組閘門(mén)流線圖 fig 6 Two sets of gate flow diagrams

連接起來(lái)，形成更大的相關(guān)結(jié)構(gòu)，前緣與渦旋路徑相互作用。然后相關(guān)結(jié)構(gòu)向出口方向傾斜，結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)影響著后緣的速度場(chǎng)和壓力分布。

圖7 第一組閘門(mén)(20 s)負(fù)壓區(qū) Fig 7 Negative pressure zone of the first gate (20 s)

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)四組閘門(mén)上游壓力遠(yuǎn)大于閘門(mén)下游壓力，在閘門(mén)底緣附近位置壓力迅速下降，閘門(mén)后部壓力分布隨時(shí)間變化趨于均勻。只有第一組平底閘門(mén)底部正下方存在明顯的負(fù)壓區(qū)，而其他三組由于存在一定的傾角，它們閘門(mén)底緣的低壓區(qū)向下游移動(dòng)到底緣下游傾角附近。從安全方面考慮，選擇有傾角的閘門(mén)的底緣比較合適。

(2)第一組閘門(mén)和其他三組雖然壓力變化趨勢(shì)相似，其底部底緣存在明顯的負(fù)壓區(qū)存在，比其他三組的壓力脈動(dòng)值要大，因此對(duì)閘門(mén)安全運(yùn)行有明顯的影響。

(3)第一組平底閘門(mén)底緣沒(méi)有角度，開(kāi)始會(huì)存在三個(gè)漩渦，隨著時(shí)間的推移，漩渦向上游運(yùn)動(dòng)，最后穩(wěn)定的時(shí)候在回流區(qū)會(huì)存在兩個(gè)漩渦；而其他三組帶有前后傾角的閘門(mén)底部的流線分布有明顯的不同，漩渦由開(kāi)始的三個(gè)，慢慢向上游運(yùn)動(dòng)，合成一個(gè)大漩渦，因此回流區(qū)中只存在一個(gè)漩渦。

(4)在第一組閘門(mén)底緣中，沿前緣流動(dòng)的漩渦粒子從拐角處流過(guò)，在門(mén)下形成了一條恒定的漩渦路徑。一個(gè)漩渦出現(xiàn)在閘門(mén)的底部，過(guò)了一段時(shí)間后，它從底部邊緣產(chǎn)生，引起邊緣壓力的準(zhǔn)周期性變化，這就構(gòu)成了這種機(jī)制。漩渦與將從門(mén)的后邊緣流出的水流連接起來(lái)，形成更大的相干結(jié)構(gòu)，從前緣與漩渦路徑相互作用。然后相關(guān)結(jié)構(gòu)向出口方向傾斜，結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)影響著后緣的速度場(chǎng)和壓力分布。

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