高 健，施 翔，杜 亮，陳曉峰，蔡 建，王 波，臧 偉

（1.宿遷市水務勘測設計研究有限公司，江蘇宿遷 223800；2.江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇宿遷 223800；3.河南省水利勘測設計研究有限公司四川分公司，四川成都 610091；4.河海大學水利水電學院，江蘇南京 210098）

閘門主要布置于水工建筑物的進出口位置，通過控制閘門的開啟度可對流量和水位進行有效的調節(jié)，因此閘門在泄水、防洪、灌溉、排水、航運及發(fā)電等方面起到了重要的作用［1-2］。可以打開全部閘門或部分閘門孔來調節(jié)上下游水位和流量，合理選擇閘門開啟方式不僅可以提供更好的水流流態(tài)，同時也是保障水工結構安全運行的關鍵所在。

針對閘門附近水流三維流態(tài)的研究主要分為數值模擬及模型試驗，模型試驗需花費較高的時間成本及資金成本，同時試驗條件及測量精度等客觀因素也會對試驗結果造成一定的影響。得益于現代技術的飛速發(fā)展，CFD 數值模擬成為國內外學者常用的研究手段。邵園園等［3］基于VOF方法對某水利樞紐多道閘門進行數值模擬，揭示了閘門附近的水流與壓力分布規(guī)律。劉昉等［4］采用RNGk-ε湍流模型結合VOF 方法探究了不同底緣形式下閘門的水動力特性，發(fā)現后傾角呈45°時閘底的水流脈動最小。管光華等［5］通過建立數學模型探討了閘門在非恒定流工況下適配的過閘流量關系，并和傳統(tǒng)公式平均率定誤差進行對比，發(fā)現該數學模型能有效降低誤差。邱春等［6］采用三維動態(tài)數值模擬方法探究了弧形閘門開啟過程中的非恒定流流量系數特點，給出了弧形閘門不同開啟速度下過渡式及非恒定式水流的流量系數之間的經驗公式。

目前針對閘門的三維流態(tài)研究大多集中于弧形閘門及平板閘門［7-8］，然而對多孔閘門的研究卻略顯不足。由于大中型水利樞紐常采用多孔閘門進行流量調節(jié)，因此針對多孔閘門的三維流態(tài)進行研究顯得尤為必要。本文以劉老澗新閘為研究對象，采用ANSYS Fluent 軟件對多孔閘門三維流態(tài)進行數值模擬以揭示不同工況下的流態(tài)分布特性。

1 幾何模型及網格劃分

本文以劉老澗新閘為研究對象，為充分研究流經閘門的水流流態(tài)，將閘門上游連接段、閘室段及下游連接段作為整體進行研究，采用Solidworks 建立1∶1物理模型，如圖1所示，計算區(qū)域上下游長度分別為55 m 和105 m，寬度分別為38 m 和44 m，中間閘室段共計3道閘門。

圖1 劉老澗新閘三維幾何模型

2 湍流模型及邊界條件設置

采用基于有限體積法的商業(yè)軟件ANSYS Fluent來模擬流體域內的三維不可壓縮的湍流運動，采用雷諾時均N-S 方程求解湍流流場，采用RNGk-ε湍流模型對方程進行封閉。

流體域內部的流動可近似認為是不可壓縮的三維黏性湍流，其流動遵循質量守恒定律、動量守恒定律及能量守恒定律，由于流體為常溫液態(tài)水，因此并不需要考慮流體之間的熱量交換，流體的流動可以通過連續(xù)性方程和動量方程來進行描述：

式中：ρ為流體密度；t為時間；u為速度；x為空間坐標；p為壓強；μ為流體運動黏性系數；S為外部源項；i、j為坐標軸方向。

入口采用速度入口邊界條件；出口采用壓力出口邊界條件；自由液面基于剛蓋假定，采用對稱面代替滑移邊界條件；壁面邊界條件設置為無滑移邊界條件。為分析不同工況下水閘閘室及上下游連接段的流態(tài)分布，選取設計工況和校核工況兩種典型工況進行對比分析，其中設計工況和校核工況的具體參數如表1所示。

表1 計算工況

網格質量對計算結果的準確性具有較大的影響，如圖2所示，采用ANSYS ICEM對計算區(qū)域進行以六面體為主，三棱柱為輔的網格劃分，流體域部分的網格數為674 422，最低網格正交質量為0.263，滿足RNGk-ε湍流模型對網格質量的要求［9］。

圖2 流體域網格及固體結構

3 結果與討論

為分析不同工況下流體域在不同位置處的速度矢量分布，分別選取底部截面、中部截面及頂部截面進行分析（以閘門底板高程為0 點，底部截面、中部截面、頂部截面高程分別為0 m、1.25 m及2.5 m），分別如圖3～5所示。

圖3 不同工況下底部截面速度矢量分布

圖4 不同工況下中部截面速度矢量分布

圖5 不同工況下底部截面速度矢量分布

由圖3～5 可知，水流整體的流速由入口至出口呈現先增大后減小、隨后再增大再減小的趨勢，最大流速位于校核工況下閘門出口的底部截面。水流通過閘室繼續(xù)向下游流動的過程中，由于通過閘室流道段后水道變寬，導致水流流速減小。因校核工況下的來流流量明顯大于設計工況，水流在流經閘門進入下游消力池的過程中，受閘門開度的影響，水流在閘門下方流速相較于設計工況明顯增大，底層的高速水流在流動過程中與中上部水流之間的相互作用使得校核工況下水流的整體流速均大于設計工況。

圖6 為設計工況下不同截面的水流流態(tài)分布。由圖6 可知閘門底部流速最大，為6.77 m/s，底部截面在閘門下游外側存在少量漩渦，中間截面的漩渦主要分布于閘室及下游靠邊墻側，頂部截面的漩渦主要分布于閘室及下游邊墻外側護坡處。

圖6 設計工況下各截面流線分布

圖7 為校核工況下個截面的三維流線分布，通過對比圖6 可知，校核工況下閘門前后區(qū)域的流速明顯高于設計工況，最大流線速度位于底部截面，最大值為9.3 m/s。相較于設計工況，校核工況下底部截面僅在閘門下游的外側邊墻處存在少量漩渦，中部截面及頂部截面的漩渦明顯增多。

圖7 校核工況下各截面流線分布

為定量分析不同工況下的漩渦面積，引入漩渦面積比w對不同工況下各截面的漩渦進行對比分析，其計算式如下所示：

式中：Sw為漩渦面積，m2；Sf為流體域不同截面的面積，m2。

表2 為不同流量工況下的漩渦面積比。由表2可知，校核工況下不同截面位置的漩渦面積比均大于設計工況，不同工況下底部截面和頂部截面的漩渦面積比最大，設計工況下頂部截面的漩渦面積比最大，為18.85%，校核工況下底部截面的漩渦面積比最大，為21.18%，表明校核工況下水閘及上下游的流態(tài)相較于設計工況更加混亂。

表2 不同工況下的漩渦面積比

4 結 語

閘門開度對水流的流態(tài)具有重要影響，本文以劉老澗新閘為研究對象，采用數值模擬方法對不同工況下閘室及上下游連接段的流動特性進行分析，得到的主要結論如下：

（1）針對設計工況和校核工況下閘室及上下游連接段的水流流態(tài)進行了分析，對比了不同流量工況下不同典型截面上的速度矢量及流線分布，發(fā)現校核工況下的整體流速均大于設計工況，最大流速位于校核工況下的底部截面，為9.3 m/s。

（2）校核工況下閘室及上下游連接段內的流態(tài)相較于設計工況更加混亂，校核工況下不同截面位置的漩渦面積比均大于設計工況，設計工況下頂部截面的漩渦面積比最大，為18.85%，校核工況下底部截面的漩渦面積比最大，為21.18%。