倪 春， 黃先北， 仇寶云， 孫 濤， 于賢磊

(1.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責任公司， 江蘇 南京 210029； 2.揚州大學 電氣與能源動力工程學院， 江蘇 揚州 225127)

平面鋼閘門是水利工程中常用的閘門形式。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的閘門需滿足雙向擋水要求[1-2]?，F(xiàn)有雙向擋水閘門主要關(guān)注雙向密封問題，大部分仍使用單面板形式。然而，單面板形式的閘門在正向擋水時，面板朝向上游側(cè)，與普通單向閘門工作方式一致；而當反向擋水時，閘門的梁系結(jié)構(gòu)朝向上游側(cè)，由于水流的沖擊作用，往往易導(dǎo)致啟門力過大，可能出現(xiàn)啟閉機系統(tǒng)失壓及啟門力超過設(shè)計值的問題。由此可見，閘門反向擋水時，受力更加復(fù)雜且明顯增大，單面板閘門無法滿足雙向擋水需求。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)廣泛應(yīng)用于工程中的流動分析[3-5]。本文以節(jié)制閘為研究對象，針對垂直提升式平面鋼閘反向擋水時啟門力在一定開高時增大的情況，采用CFD方法模擬閘門附近壓力場，分析啟門力增大的原因，并研究封閉閘門梁格方案對降低啟門力是否有效。

1 水閘參數(shù)與過流流動數(shù)值計算方法

1.1 水閘結(jié)構(gòu)參數(shù)

以閘站樞紐節(jié)制閘采用垂直提升式液壓平板鋼閘門進行研究，水閘與底板相關(guān)參數(shù)為：閘門高度4.5 m，閘前平直段長18 m，閘后2.9 m為斜坡，坡角38°，坡長7 m。為保證數(shù)值計算中流動充分發(fā)展，閘前延長至距離閘門30 m，閘后延長至距離閘門20 m處。

考慮到流動沿水閘寬度方向的中心線為對稱分布，取閘門的一半進行CFD分析研究，見圖1。

圖1 閘門原方案的三維模型

1.2 數(shù)值模擬邊界條件

本文采用雷諾時均N-S方法求解湍流場，選擇常用的標準k-ε模型[6-7]。過閘流動是典型的水氣兩相流，本文采用均相流模型[7-8]。

計算域以及相應(yīng)的邊界條件如圖2所示，采用邊界條件如下：(1)水域進口，流量進口條件，水的體積分數(shù)設(shè)置為1，空氣體積分數(shù)為0；(2)水域出口，流量出口條件；(3)面板寬度方向的中線所在面，對稱邊界；(4)空氣域上表面，Opening邊界(開敞邊界)，壓力設(shè)置為0，且水的體積分數(shù)為0，空氣體積分數(shù)為1；(5)空氣域與水域之間交界面，Gerneral Connection。未標注的邊界均使用無滑移固壁條件。

圖2 閘門反向擋水時計算域網(wǎng)格與邊界條件設(shè)置(H=1.65 m)

1.3 閘門啟門力計算

啟門時閘門時受重力G、水流垂直作用力Fy、水流水平作用力Fx、摩擦力Fm、門槽對閘門滾輪的水平反力Fw、啟門力Ft的共同作用。

(1)重力

為閘門(包括滾輪)重力以及液壓缸活塞桿的自重：

G=G閘+G桿

(1)

根據(jù)閘門設(shè)計參數(shù)，G=1.862×105N。

(2)水流作用力

閘門所受Fx與Fy可根據(jù)CFD結(jié)果計算獲得。

(3)摩擦力

摩擦力一方面是門側(cè)止水橡皮與門槽的摩擦力：

Fmp=γ1Fx1

(2)

式中，F(xiàn)x1為水流水平作用力Fx作用在側(cè)止水橡皮上的力，根據(jù)設(shè)計資料為2 200 N；γ1為橡皮與門槽摩擦系數(shù)，門槽為鋼，系數(shù)取為0.5。

另一方面是啟門時在滾輪的軸承處形成，寫為

Fml=γ2(Fx-Fx1)

(3)

式中，γ2為摩擦系數(shù)，本例采用的為滑動軸承，摩擦系數(shù)取為0.05。

(4)啟門力

根據(jù)受力分析可知，啟門力為

Ft=G+Fy+Fm=G+Fy+Fml+Fmp

(4)

2 CFD啟門力計算驗證

由CFD計算結(jié)果獲得閘門所受Fx與Fy，并根據(jù)1.3章節(jié)受力分析計算閘門啟門力，與現(xiàn)場測試結(jié)果進行對比，如圖3所示。

圖3 計算與實測啟門力對比

顯然，從啟門力的變化來看，CFD與實測結(jié)果一致，均為先增大后減小，隨后再增大最后減小的規(guī)律，其中開高1.65 m與2.05 m時啟門力高于其余情況。CFD與試驗值的偏差最大為5.5%，說明本文采用的計算方法是可靠的。

3 啟門力降低方案

閘門提升過程中，底部主梁下方流速較高，從而在下表面易形成負壓，產(chǎn)生下吸力。此外，反向擋水時由于梁系結(jié)構(gòu)朝向上游，水流將沖擊底部主梁，從而在主梁上表面形成高壓，進一步增大啟門力。由此可見，主梁上下表面的壓力差是導(dǎo)致啟門力增大的關(guān)鍵。為分析壓力差對啟門力的影響，取主梁上下表面的平均壓力差，該壓力差乘以主梁面積即為壓差作用下形成的垂直方向作用力。圖4所示為壓力差形成的垂直作用力以及水流總的垂直作用力隨閘門開高的變化，壓差形成的垂直作用力占水流總作用力的85%～97%，且變化規(guī)律保持一致。

圖4 壓差形成的垂直作用力與水流總的垂直作用力隨開高的變化

因此，若封閉部分或全部梁格，則有望大幅降低水流沖擊導(dǎo)致的壓力差，從而降低啟門力。為此，本文提出2種方案：(1)封閉下部梁格(見圖5)，即封閉底部主梁至第二主梁(中間)之間的梁格；(2)封閉全部梁格，即封閉底部主梁至第一主梁(上主梁)之間的全部梁格。對于本文所研究閘門，寬度10.12 m，面板厚度10 mm，下部相鄰兩排工字鋼垂直距離約為1.5 m。因此，方案(1)需增加的鋼材總量為1 192 kg，重量1.17×104N，方案(2)需增加的鋼材總量為2 384 kg，重量2.34×104N。

圖5 封閉下部梁格方案(方案1)

根據(jù)上文分析，最大啟門力發(fā)生在閘門開高1.65 m時，因此，基于該開高進行CFD計算。對于方案(1)，由于下部梁格被封閉，水流在中間主梁上方存在壅高，部分空氣從排水孔進入閘門下部水腔，導(dǎo)致中間主梁與底部主梁之間存在明顯水氣混合情況，閘門內(nèi)平均水面應(yīng)在中間主梁與底部主梁中間，距中間主梁0.8 m處；對于方案(2)，由于梁格全部封閉，第二主梁上方不形成壅高，且門體內(nèi)水從排水孔排出，遠低于上游水位。

實際啟門時由于閘門勻速上升時梁格內(nèi)水體因重力作用通過橫梁排水孔下泄流動引起的阻力。因此，需計算密封梁格內(nèi)水體通過下方橫梁排水孔排出時的阻力——即排水對橫梁向下的沖擊力對啟門力的影響，該影響表現(xiàn)為排水阻力引起的密封梁格內(nèi)水面的升高值。根據(jù)孔口流動計算公式：

(5)

則通過孔口的壓差為

(6)

式中，Cd為流量系數(shù)取為0.5456，AT=0.0325 m2為孔的面積，ρ為水的密度，q=0.03705 m3/s為通過排水孔的流量。據(jù)此可算得水頭損失為0.22 m，對應(yīng)的水體重量FG=2.13×104N。

不同方案下的啟門力如表1所示(H=1.65 m)。

表1閘門不同方案下的啟門力對比

單位：104 N

由表1可見，原方案水流產(chǎn)生的垂直作用力約占啟門力的39%，而對于方案(1)，下部梁格的封閉使水流垂直作用力下降約65%，方案(2)則下降約85%。2種方案的水流垂直作用力下降比例不同的原因在于，方案(1)盡管阻止了水流對底部主梁的沖擊，但對中部主梁的壅高產(chǎn)生了額外的垂直作用力；方案(2)封閉了全部梁格，基本消除了水流沖擊作用，因此水流垂直作用力主要為下吸力引起。

對比不同方案下的啟門力可知，方案(1)相比原方案降低了約15.5%，方案(2)相比原方案降低約19.5%。由此可見，封閉梁格方案可有效降低啟門力，且封閉全部梁格方案效果更好。

4 結(jié) 論

本文針對垂直提升式平面鋼閘門反向擋水時啟門力增大的問題，采用CFD方法模擬閘孔過流流動，提出封閉梁格方案，并分析了不同方案下的啟門力，得到如下主要結(jié)論：

(1)閘門底部主梁上下表面壓差形成的垂直作用力占水流總垂直作用力的85%～97%，且其變化規(guī)律與啟門力的變化規(guī)律一致，開高1.65 m時達到最大。

(2)封閉下部梁格與封閉全部梁格均可有效降低啟門力，原因在于避免了水流對底部主梁的沖擊，降低了水流的垂直作用力。