基于Fluent船閘局部分散式輸水系統(tǒng)流場數(shù)值模擬

劉思源，陶桂蘭，徐 立，冷 杰

(河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

在內(nèi)河航運中，船閘的通過能力直接影響整個航道的運營;而輸水系統(tǒng)則與船閘通過能力密切相關。局部分散式水系統(tǒng)介于集中式輸水系統(tǒng)和簡單分散式輸水系統(tǒng)之間，其性能、施工難度和成本基本介于集中式和分散式輸水系統(tǒng)之間，對于中高水頭船閘具有較為廣泛的應用前景。但國內(nèi)對局部分散式輸水系統(tǒng)的研究相對較少，在使用CFD軟件模擬局部分散式輸水系統(tǒng)上面還處在較為初級的階段。

本文使用經(jīng)典的CFD軟件包Fluent，并以江蘇某船閘為背景建立簡化模型并進行模擬，著重研究了一次灌水過程中輸水廊道、消力池和閘室內(nèi)的流場變化情況。本次模擬的結果將為進一步研究和物理模型的建立提供一定參考。

1 數(shù)值模擬方法

船閘閘室長230m，寬23m，引航道與閘室等寬。輸水廊道高3.5m，直線段部分寬4m，采用格柵式入水口，共有2m×6m入水口4個，1m×6m入水口4個，0.5m×6m入水口4個;采用支孔出水，共有3.5m×1.2m支孔34個，對稱布置，支孔上設有頂板。

1.1 三維簡化模型的建立

為了節(jié)約計算機資源和提高計算效率，對船閘輸水廊道之外的部分進行了一定簡化:閘室和引航道簡化為規(guī)則的長方體，其中引航道部分僅取50m，其作用在于維持相對穩(wěn)定的水位。為了減少計算量，考慮到簡化后的模型對稱，僅建立了閘室中縱斷面一側的部分，并設置對稱面進行補充。

簡化后的輸水廊道閥門由10個相連的細長平面組成，對應閥門10～100%十個開度。初始狀態(tài)下10個面均為壁面(不允許水流通過)，開始計算后，10個面由下向上間隔20s逐個設為內(nèi)部界面(水流可以自由通過)，以模擬閘門的開啟。

圖1是由船閘上游左上方向下游右下方觀察得到。模擬中共使用6種邊界，4種已在圖1中標出，其余兩種是壁面和對稱面。由于壓力入口的壓力不考慮體積力(重力)，所以需要使用引航道部分的速度入口、壓力入口和壓力出口來維持一個相對恒定的水位，閘室部分的壓力出口用于保證水位可以自由上升。圖1中，三維簡化模型閘室部分僅顯示一部分，引航道顯示全部。

圖1 船闡部分邊界設置

1.2 求解器選擇

Fluent6.3.26中提供兩種求解器供選擇，一種是壓力基求解器(Pressure Based)，另一種是密度基求解器(Density Based)。

相比較而言，壓力基求解器適用于低速不可壓縮或微可壓縮流動，收斂較慢但對資源要求較低。密度基求解器適用于高速可壓縮流動，計算量大收斂更快但對資源要求較高。同時必須注意到，密度基求解器不適用于多相流模型。

本次計算為二相流，在流動中水是不可壓縮的，低速下空氣可視為微可壓縮，選用壓力基求解器。

1.3 耦合方式選擇

Fluent提供三種壓力速度耦合方式:SIMPLE，SIMPLEC以及PISO，考慮到本次計算為非定常流，選擇PISO方式。

考慮到之前若干次最終發(fā)散的模型和設置方法，本文選擇調(diào)低部分亞松弛因子，以保證收斂。迭代結果表明，收斂情況良好，且收斂速度令人滿意。

1.4 湍流模型選擇

RNG K-Epsilon模型是從暫態(tài)N－S方程中推出的公式，具有解析性，而且對近壁流層和低雷諾數(shù)流場的計算性能更好。相對于標準K-Epsilon湍流模型，RNG K-Epsilon湍流模型在工程應用中被證明具有更高的精度和更廣泛的適用范圍，同時維持了K-Epsilon湍流模型在速度和精度方面的平衡。故在本次模擬中使用RNG K-Epsilon湍流模型，在計算中，統(tǒng)一使用采用一階迎風差分格式。其中的控制方程如下:

連續(xù)性方程:

控制方程中常數(shù)取值如表1。

表1 控制方程常數(shù)取值表

1.5 邊界條件設置

共需對6種邊界條件進行設置。其中，壁面粗糙高度設置為0.003m。初始狀態(tài)下引航道水深14m，閘室水深6m，如圖2。

圖2 初始狀態(tài)下各流體分布

速度入口需設定一個較小的流速，以維持引航道水位，使其不因向閘室灌水而降低。引航道的壓力入口和壓力出口的壓力統(tǒng)一設置為0，實際上充當自由表面，保證水位上升后可以自由出流避免水位過大上升。在迭代過程中的檢測結果顯示，引航道水位上升有限(0.2m左右)，可以認為這種設置滿足要求。閘室的壓力出口確保閘室水位可以自由上升。

2 模擬結果分析

2.1 水力曲線

根據(jù) Flunet的計算結果，導出了兩條水力曲線。

圖3反映的是輸水廊道閘門斷面上的最大流速對時間的分布規(guī)律。由圖中可以看出，最大流速出現(xiàn)在110秒，即閥門開度為60%時。同時曲線并不光滑，表明閘門斷面最大流速的波動相對較大，可能是因為此處存在較大紊流。

圖4是流量分布圖。由圖中可以看出，最大流量出現(xiàn)在165秒，對應的閥門開度為90%;之前雖然流速更大，但過水斷面較小;之后過水斷面雖有所增大，但水頭差下降，流速降低。

圖3 輸水廊道閥門斷面Vmat－t曲線

圖4 輸水廊道Q-t曲線

最后應當注意到，380秒時最大流速和流量均并不為0，但根據(jù)云圖顯示，此時閘室和引航道水位已經(jīng)接近齊平。根據(jù)分析，造成這個現(xiàn)象的原因，主要是水流受慣性的影響，同時與引航道邊界條件的設置存在一定關系。

2.2 流速分布

相對于其他時間點的流速分布，最大流量出現(xiàn)時(165秒)顯然更具分析價值。

圖5中A斷面位于輸水廊道底板和頂板正中，此斷面的流速分布可以比較好的反映流速在水平面上的分布。

圖6所示斷面左部流速成比較均勻的增長態(tài)勢，但略有起伏，同時流速增速略有減低。主要原因是使用了格柵式入水口。

由于慣性的影響，左側轉(zhuǎn)彎段和直線段流速分布的不均勻比較顯著。直線段靠近左部轉(zhuǎn)彎段的部分存在一個流速的峰值，是由于閥門尚未完全打開，過水斷面突然減小所致。結合圖7中縱斷面上流速分布，可以明顯看出流速的峰值出現(xiàn)在閥門下方附近，約為8.27m/s，同時直線段流速非?？欤骄俣瓤蛇_6.5m/s以上。

由圖5和圖6均可看出流速在兩個方向上的分布都不均勻，這一點在圖7體現(xiàn)得尤為明顯。在圖7所示的中橫斷面上，廊道外側上方的流速略高于其他部分，這在內(nèi)外側廊道的分流比上有所體現(xiàn)。此時外側廊道流量為48.8m3/s，內(nèi)側為40.7m3/s，與中橫斷面略有區(qū)別，其中導流墩發(fā)揮了一定作用，但仍有提高余地。

圖8是整個船閘的中縱剖面，由于圖幅的關系僅顯示靠近輸水系統(tǒng)的一部分，這一部分也是流場最為復雜的部分。

圖5 A斷面流速云圖

圖6 輸水廊道直線段中縱斷面流速云圖

圖7 輸水廊道直線段中橫斷面流速云圖

圖8 船闡中縱剖面流速云圖

表2中平面1即消力池最下游部分所在平面。由表2可以看出，距閘門27.7到32.7m之間，流速較大，結合圖9可知，最大流速由強烈挑流引起。這個速度對船舶停泊條件有非常不利的影響，應加設更多消能設施。

結合圖5可知，靠近中縱剖面的出水支孔和中縱剖面上的出水支孔流量明顯大于其他各出水支孔，這造成了中縱剖面附近存在較強的挑流，對船只停泊條件影響明顯。同時應該注意到，雖然內(nèi)側廊道流量小于外側廊道，但內(nèi)側中縱剖面上的出水支孔流量大于外側中縱剖面上的出水支孔，說明內(nèi)側水流受慣性影響略大于外側，出水更不均勻，這在圖6右側也有所體現(xiàn)。

2.3 湍流動能

湍流是影響船只停泊條件重要因素。圖9是船閘中縱剖面上的湍流動能分布情況。

圖9 船闡中縱剖面(部分)湍流動能云圖

在從消力池下游六米左右開始，存在一個較大的大流速湍流區(qū)。結合圖9可以發(fā)現(xiàn)，這部分強烈湍流的來源是消力池上出現(xiàn)的強烈挑流挑流存在的區(qū)域與強烈湍流存在的區(qū)域高度吻合。

2.4 湍流動能耗散率

湍流動能耗散率用于衡量湍流動能轉(zhuǎn)化為分子熱運動的速率。在一定程度上可以檢查消能設施的功效。

表2 閘室內(nèi)最大流速和最大湍流動能變化表

在圖10中，消力池的效能效果比較有限，對沖效能的效果也并不明顯。對比圖5可以發(fā)現(xiàn)，流速較大區(qū)域的近壁流層消耗了可觀的動能，這一點在導流墩、廊道直線段外側和靠近閘室中縱剖面的出水支孔處體現(xiàn)得尤為明顯。

圖10 A斷面湍流動能耗散率云圖

3 結論

運用VOF模型對使用局部分散式輸水系統(tǒng)的船閘一次灌水過程進行了三維非定常流數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結果分析了流速、流量、壓力和湍流動能耗散率的時空變化規(guī)律。根據(jù)分析結果，船閘基本符合設計要求。但閥門開啟速度應有所減慢或使用變速開啟，避免出現(xiàn)過大流速;同時應增設消能設施，以保證閘室內(nèi)船舶停泊條件;而且導流墩的位置需要調(diào)整，以使兩側廊道流量分布更為均勻，或是內(nèi)測流量大于外側，以避免下游強烈挑流引發(fā)強烈湍流。還應注意慣性對支孔出水的影響，避免因出水不均勻產(chǎn)生較大的的橫向比降。

相對于其他研究手段，數(shù)值模擬具有速度快、準確性高、數(shù)據(jù)全面和經(jīng)濟性好等優(yōu)點，是物理模型研究的有效前期研究和補充手段。

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