陸偉剛，周秉南，陳華，夏輝，徐波*

（1. 揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009； 2. 江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

中國(guó)的泵站技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，泵站出水流道的斷流方式應(yīng)兼具安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，拍門斷流由于造價(jià)低廉、管理方便等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用廣泛.當(dāng)采用拍門斷流時(shí)，技術(shù)人員在拍門實(shí)際運(yùn)行中對(duì)于拍門的開啟角度、水力損失以及拍門對(duì)門座的沖擊力等問題較為關(guān)心[1].國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)各種類型拍門的開啟角度與水力損失、拍門受力以及門后水流流態(tài)的關(guān)系等水力特性進(jìn)行了研究.楊帆等[2]采用模型試驗(yàn)同數(shù)值模擬結(jié)合的方式探究了整體式拍門的水力損失.朱紅耕等[3]探究了整體式拍門產(chǎn)生水力損失的原因，以及拍門水力損失與整體裝置效率之間的關(guān)系.拍門開啟角度和水力損失之間具有一定規(guī)律，而且門后水流的流態(tài)也可以作為評(píng)判拍門工作狀態(tài)好壞的標(biāo)準(zhǔn).

雙節(jié)式拍門與整體式拍門相比，其開啟角度較大，水力損失小，閉門時(shí)對(duì)門座的沖擊小.基于此，儲(chǔ)訓(xùn)等[4]推導(dǎo)研究了雙節(jié)式拍門的開啟過程、開啟角度經(jīng)驗(yàn)公式以及其在靜水中的運(yùn)動(dòng).朱紅耕等[1]探究了雙節(jié)式拍門產(chǎn)生水頭損失的原因，并推導(dǎo)出雙節(jié)式拍門水頭損失系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式.總體上，學(xué)者們對(duì)于雙節(jié)式拍門開啟角度的研究不夠深入，僅僅從單一角度分析了水力損失與雙節(jié)式拍門開啟角度的關(guān)系.

文中將鵝湖泵站的雙節(jié)式拍門作為研究對(duì)象，以水力損失和拍門門后水流流態(tài)為控制指標(biāo)，對(duì)比分析拍門開啟角度、水力損失和門后水流流態(tài)的規(guī)律，得出一個(gè)適用于該雙節(jié)式拍門的較優(yōu)開度范圍，為雙節(jié)式拍門在泵站的應(yīng)用提供參考.

1 雙節(jié)式拍門開啟角度經(jīng)驗(yàn)公式

鵝湖泵站雙節(jié)式拍門開啟角度采用文獻(xiàn)[4]中推導(dǎo)的計(jì)算式，即

（1）

式中：α1，α2分別為雙節(jié)式拍門上、下節(jié)門的開啟角度；αm為拍門在靜止?fàn)顟B(tài)下的傾角，在此取αm=10.00°；Mc1，Mc2，Mc12分別為上節(jié)門對(duì)上鉸，下節(jié)門對(duì)下鉸以及上、下節(jié)門對(duì)上鉸的水流沖力力矩；Mg1，Mg2，Mg12分別為上節(jié)門浮重對(duì)上鉸，下節(jié)門浮重對(duì)下鉸以及上、下節(jié)門浮重對(duì)上鉸的水流沖力力矩；h為雙節(jié)式拍門的總高；h1為上節(jié)門的高度.

2 雙節(jié)式拍門水力損失計(jì)算方法

2.1 水力損失理論計(jì)算方法

對(duì)于雙節(jié)式拍門開啟角度已知的前提下，其水力損失系數(shù)計(jì)算式為

（2）

式中：ξp為拍門水頭損失系數(shù).

拍門水力損失Δhp計(jì)算式為

Δhp=ξpv2/2g，

（3）

式中：v為水泵出口流速，m/s；g為重力加速度，m/s2.

2.2 水力損失試驗(yàn)計(jì)算方法

試驗(yàn)中拍門的水力損失用管道出口損失替代，計(jì)算斷面（斷面1-1和斷面2-2）分別距離出口3.5和7.5 m，如圖1所示.

替代后的雙節(jié)式拍門水力損失計(jì)算式為

（4）

在對(duì)比流道水力損失時(shí)常常用到流量系數(shù)C，流量系數(shù)越大，對(duì)應(yīng)水力損失越小，其計(jì)算式為

（5）

式中：Q為流量，m3/s.

2.3 雙節(jié)式拍門水力損失模型試驗(yàn)介紹

雙節(jié)式拍門水力損失模型試驗(yàn)在揚(yáng)州大學(xué)泵站試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行.原模型比尺取為5∶1，拍門內(nèi)、外水位可在主機(jī)屏幕中顯示.在拍門下方布置門外的水位測(cè)點(diǎn)，在門內(nèi)側(cè)0.05 m處的涵管底部布置門內(nèi)的水位測(cè)點(diǎn).流量通過標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量.標(biāo)準(zhǔn)孔板為不銹鋼材質(zhì)，采用法蘭取壓.模型試驗(yàn)過程中，在距離拍門模型出口內(nèi)側(cè)0.7 m和外側(cè)1.5 m處設(shè)置測(cè)速點(diǎn)，并在同一位置處的流道底部連接測(cè)壓管.

3 雙節(jié)式拍門數(shù)值模擬理論方法

3.1 控制方程和湍流模型

數(shù)值模擬控制方程采用連續(xù)性方程和雷諾時(shí)均N-S方程[5].湍流模型為Realizablek-ε模型[6]，方程的數(shù)值解法采用SIMPLEC算法[7-8].

3.2 邊界條件、網(wǎng)格劃分及無關(guān)性分析

進(jìn)口邊界條件選擇流速進(jìn)口[9]，流速設(shè)為1.8 m/s.出口邊界條件選擇壓力出口，壓力為1.01×105Pa，其余均設(shè)置為固壁邊界.

采用Mesh軟件對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分.整體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格精度設(shè)置為0.2，拍門面板局部加密，網(wǎng)格精度設(shè)置為0.05.以網(wǎng)格總數(shù)的1.2倍逐漸遞增進(jìn)行無關(guān)性分析[10-11].當(dāng)水力損失穩(wěn)定時(shí)，網(wǎng)格數(shù)最小為899 721.

3.3 斷面流速均勻度

安裝拍門后需要考慮水流在涵管內(nèi)的發(fā)展，要求在涵管的流態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，流速分布相對(duì)均勻.斷面流速均勻度常常被視作一個(gè)判斷指標(biāo)，來反映出口斷面的流場(chǎng)環(huán)境[12].流速均勻度越大，代表該斷面的速度分布越均勻，流態(tài)就越好.流速分布均勻度計(jì)算式為

（6）

4 雙節(jié)拍門合理開啟角度分析思路

對(duì)于雙節(jié)式拍門，位于不同拍門開度時(shí)，其出口斷面水力損失不同，門后流態(tài)也不同.文中對(duì)流量和拍門開度進(jìn)行交叉對(duì)比，分析在不同流量和不同開度情況下拍門的水力損失和門后流態(tài)，選擇出最佳的拍門開度，分析流程如圖2所示.

在進(jìn)行拍門斷流設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)思考2個(gè)問題：一是拍門開啟角度太小，致使水力損失過大；二是當(dāng)機(jī)組停泵時(shí)，由于拍門自重以及水流反推力，拍門對(duì)門座會(huì)造成極大的沖擊力，特別是當(dāng)開啟角度過大時(shí)，閉門時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)，對(duì)門座造成的破壞更大.所以選擇合理的開啟角度對(duì)實(shí)現(xiàn)泵站穩(wěn)定運(yùn)行有極大的意義.

5 工程實(shí)例分析

5.1 基本資料

鵝湖泵站設(shè)計(jì)流量為16 m3/s，雙節(jié)式拍門寬度為3.24 m，總高度為3.30 m，上、下門之間設(shè)有下鉸段0.4 m，上節(jié)門門頁高度為1.7 m，下節(jié)門門頁高度為1.2 m.拍門在靜止?fàn)顟B(tài)下的傾角αm=10.00°.利用三維建模軟件UG對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行建模.計(jì)算區(qū)域模型如圖3所示.

5.2 雙節(jié)式拍門開啟角度計(jì)算結(jié)果

為了探究雙節(jié)式拍門在流量逐漸增大至設(shè)計(jì)流量過程的開度范圍，主要計(jì)算在2～16 m3/s（每個(gè)流量方案間隔2 m3/s）流量條件下，上、下節(jié)門實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定開啟時(shí)的角度，計(jì)算結(jié)果見表1.

表1 各方案拍門開度結(jié)果

由理論計(jì)算可知，達(dá)到設(shè)計(jì)流量時(shí)，雙節(jié)式拍門開啟角度可達(dá)到上節(jié)門53.00°左右，下節(jié)門67.00°左右.

5.3 基于水力損失確定較優(yōu)開啟角度

5.3.1 基于理論的水力損失計(jì)算結(jié)果

將數(shù)據(jù)帶入式（2），（3），可以得出各方案的拍門理論水力損失，結(jié)果如表2所示.由表可知，隨著流量逐漸增大，雙節(jié)式拍門開啟角度逐漸增大，但對(duì)應(yīng)拍門出口斷面水力損失卻隨之減小.對(duì)比文獻(xiàn)[13]中整體式拍門在流量為10 m3/s，拍門開啟角度約為45.00°工況的水力損失系數(shù)，雙節(jié)式拍門在相同工況的水力損失系數(shù)遠(yuǎn)小于整體式拍門，說明雙節(jié)式拍門具有更加優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式.由表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)流量大于12 m3/s時(shí)（即上節(jié)門開度大于45.84°，下節(jié)門開度大于63.81°時(shí)），雖然拍門開啟角度仍在增大，但是出口斷面的水力損失已經(jīng)穩(wěn)定在75 mm左右.由此可以得出，流量為12～16 m3/s時(shí)所對(duì)應(yīng)的雙節(jié)式拍門開度為較優(yōu)的拍門開度.

表2 各方案拍門水力損失

5.3.2 水力損失數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)結(jié)果分析

基于水力損失理論分析結(jié)果，共設(shè)計(jì)4種拍門開度方案，分析在不同開度下拍門水力損失同流量的變化規(guī)律.表3為各方案的上、下節(jié)門固定開啟角度.模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬的水力損失對(duì)比如圖4所示.

表3 各方案上、下節(jié)門角度

觀察圖4中的曲線，雙節(jié)式拍門的水力損失隨著流量增大而增大，隨著開啟角度增大而減小.這與文獻(xiàn)[13]中整體式拍門模型試驗(yàn)得出的規(guī)律一致，而且雙節(jié)式拍門的水力損失更小、開啟角度更大，說明雙節(jié)式拍門的水力特性比整體式拍門更好.如方案1所示，拍門小開度工況下，流量對(duì)水力損失的結(jié)果影響顯著.通過方案2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，水力損失隨流量變化曲線已經(jīng)較為平緩，但在流量大于15 m3/s后，水力損失的變化還是較為明顯.在方案3，4中，雙節(jié)式拍門造成的水力損失已經(jīng)減小到70 mm以下，通過與方案1和方案2比較可以發(fā)現(xiàn)，流量的增大對(duì)水力損失的影響已經(jīng)很小.數(shù)值模擬得出的水力損失同流量變化的規(guī)律與模型試驗(yàn)所呈現(xiàn)的規(guī)律相同.綜合來看，在雙節(jié)式拍門上節(jié)門開度達(dá)到46.00°左右，下節(jié)門開度達(dá)到64.00°左右時(shí)，水力損失較小而且其大小幾乎不隨流量增加發(fā)生變化.由此可以得出，方案3和方案4的拍門開度范圍可以作為鵝湖泵站雙節(jié)式拍門的較優(yōu)開度.

5.3.3 拍門水力損失結(jié)果對(duì)比分析

鵝湖泵站的設(shè)計(jì)流量為16 m3/s，在該流量下數(shù)值模擬得出的流量系數(shù)以及泵裝置效率下降值，同模型試驗(yàn)結(jié)果以及理論計(jì)算結(jié)果如表4所示.

表4 3種方法的計(jì)算結(jié)果比較

分析表4數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)所得出的流量系數(shù)C大小接近，理論分析所得的拍門流量系數(shù)C小于數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)所得出的流量系數(shù)C，說明理論分析所得的水力損失大于模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬所得的水力損失.這是由于在進(jìn)行雙節(jié)式拍門水力損失理論計(jì)算過程中并沒有考慮流道斷面突變引起的流速變化.

對(duì)比3種方法計(jì)算得出的流量系數(shù)C可知，雙節(jié)式拍門開啟角度越大，對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)C越大，拍門水力損失越小.當(dāng)上節(jié)門開度為46.00°左右、下節(jié)門開度為64.00°左右時(shí)（即方案3），3種計(jì)算方法中因拍門水力損失引起的效率減少值η1已降至3%左右，而且隨著開啟角度增大，拍門對(duì)泵裝置性能乃至泵站運(yùn)行的影響在逐漸減弱.因此選擇方案3到方案4的雙節(jié)式拍門開啟角度范圍作為鵝湖泵站雙節(jié)式拍門開啟角度的較優(yōu)開度.

5.4 基于門后流態(tài)確定較優(yōu)開啟角度

5.4.1 門后斷面流速影響分析

將無拍門時(shí)出水涵洞的門后斷面流速作為參照，以4種拍門開啟角度方案為研究對(duì)象，對(duì)門后斷面的流態(tài)進(jìn)行研究.圖5為流量為16 m3/s工況下不同方案的門后斷面流速矢量圖.

分析不設(shè)拍門方案可知，水流自水泵出口順直流出，且高速水流分布在涵洞中部.觀察5個(gè)方案的流態(tài)可知，當(dāng)雙節(jié)式拍門的開啟角度變大時(shí)，出口斷面的高速水流區(qū)出現(xiàn)的位置從拍門下沿不斷上移，其面積不斷變大.與文獻(xiàn)[2]中整體式拍門的門后水流流態(tài)一致，在運(yùn)行過程中雙節(jié)式拍門在兩側(cè)出現(xiàn)對(duì)稱的旋渦區(qū).隨著拍門開啟角度增大，旋渦區(qū)的面積逐漸減小，最終將會(huì)與無拍門工況接近.可以發(fā)現(xiàn)在方案3，4對(duì)應(yīng)的開啟角度工況下，高速水流區(qū)的面積較大，水流流態(tài)較好，旋渦區(qū)的面積相比于其他方案對(duì)流態(tài)的影響較小.

5.4.2 出口軸向流速均勻度的影響分析

將無拍門方案的出水涵洞流速均勻度作為參照，分析布置雙節(jié)式拍門和開啟角度對(duì)流速均勻度的影響.在涵管內(nèi)等距離選取7個(gè)斷面，并計(jì)算各斷面的流速均勻度.圖6為方案3的斷面流速云圖.

觀察方案3的斷面流速云圖可知，水流流出拍門后，在斷面下方存在高速水流區(qū)，隨著水流向涵管遠(yuǎn)處流動(dòng)，高速水流區(qū)逐漸向涵管兩側(cè)擴(kuò)散，水流呈現(xiàn)螺旋式前進(jìn).圖7為5個(gè)方案的斷面流速均勻曲線.

從圖7可以看出，無論有無拍門，流速均勻度γ均隨著距離d的增大而增大.由方案1，2可知，當(dāng)拍門開度較小時(shí)，隨著距離增大，涵管內(nèi)的流態(tài)隨之改善，但其出口處的均勻度指標(biāo)比未設(shè)拍門方案的均勻度指標(biāo)低.觀察方案3的流速均勻度可知，在斷面5處的流速均勻度已經(jīng)比不布置拍門方案在同一段面處的流速均勻度大.說明在拍門開度位于上節(jié)門46.00°、下節(jié)門64.00°時(shí)，涵管內(nèi)流態(tài)可實(shí)現(xiàn)完全發(fā)展，拍門對(duì)門后水流的影響可忽略.若拍門開度不斷增大，涵管內(nèi)流態(tài)完全發(fā)展所需的距離就更短.如方案4，在斷面3處的流速均勻度指標(biāo)已高于不布置拍門方案的流速均勻度指標(biāo).

根據(jù)門后水流流態(tài)以及出口軸向流速均勻度結(jié)果分析，方案3和方案4的拍門開度范圍作為鵝湖泵站雙節(jié)式拍門的較優(yōu)開度范圍是合理的.

5.5 分析與討論

通過對(duì)比分析雙節(jié)式拍門水力損失的理論計(jì)算、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，得出方案3（上節(jié)門46.00°，下節(jié)門64.00°）和方案4（上節(jié)門53.00°，下節(jié)門70.00°）的雙節(jié)式拍門水力損失整體較小，水力損失受流量的影響較小，且在該開啟角度范圍內(nèi)，水泵效率減少值僅為1.00%～3.00%.因此將方案3到方案4的拍門開度作為鵝湖泵站雙節(jié)式拍門開啟角度的較優(yōu)解.

利用數(shù)值模擬的方法對(duì)雙節(jié)式拍門門后水流流態(tài)以及軸向流速均勻度進(jìn)行了分析.發(fā)現(xiàn)雙節(jié)式拍門的開度越大，高速水流區(qū)的面積越接近無拍門方案，水流流態(tài)越好.在方案3和方案4所對(duì)應(yīng)的雙節(jié)式拍門開啟角度下，與無拍門方案相比，旋渦區(qū)面積顯著減小，流態(tài)有較大改進(jìn)，而且涵管內(nèi)的流速均勻度指標(biāo)高于無拍門方案的.因此，方案3和方案4的拍門開度范圍作為鵝湖泵站雙節(jié)式拍門的較優(yōu)開度是合理的.

根據(jù)水力損失和拍門門后水流與雙節(jié)式拍門開啟角度的對(duì)比分析，對(duì)于鵝湖泵站雙節(jié)式拍門，上節(jié)拍門的合理開啟角度約為46.00°～53.00°，下節(jié)拍門的合理開啟角度約為64.00°～70.00°.泵站拍門技術(shù)導(dǎo)則中建議的雙節(jié)式拍門、上節(jié)拍門開度宜大于50.00°，下節(jié)拍門開度宜大于65.00°，上、下節(jié)門開度差不宜大于20.00°.與之相比，鵝湖泵站雙節(jié)式拍門所得的較優(yōu)開啟角度范圍下限略低.因此，基于多角度出發(fā)研究拍門開啟角度與水力損失以及拍門門后流態(tài)的影響，得出具體泵站雙節(jié)式拍門的合理開啟角度范圍具有一定意義.

6 結(jié) 論

1） 雙節(jié)式拍門水力損失理論公式計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果相比相差不大，說明雙節(jié)式拍門理論計(jì)算公式具有較高的準(zhǔn)確性，可在雙節(jié)式拍門的研究中推廣應(yīng)用.

2） 在上節(jié)拍門開啟角度約為46.00°～53.00°，下節(jié)拍門開啟角度約為64.00°～70.00°，雙節(jié)式拍門水力損失整體較小，水泵效率減少值小，而且門后流態(tài)較好，能在涵管內(nèi)充分發(fā)展，可以作為鵝湖泵站雙節(jié)式拍門的較優(yōu)開啟角度.

3） 從多角度出發(fā)對(duì)比分析得出的雙節(jié)式拍門合理開啟角度的研究方法是合理可行的，其為拍門的開啟角度研究提供了一個(gè)新的思路，值得在其他類型拍門合理開啟角度研究中推廣應(yīng)用.