高水頭船閘一字閘門水動力特性數(shù)值模擬

陳 瓊，李 云，劉本芹，王小東

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029)

高水頭船閘一字閘門水動力特性數(shù)值模擬

陳 瓊，李 云，劉本芹，王小東

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029)

針對某山區(qū)高水頭船閘30 m淹沒水深下一字閘門的水動力特性進(jìn)行研究，借助FLUENT軟件提供的Realizablek-ε紊流模型對門體啟閉過程非恒定流場進(jìn)行動態(tài)模擬，通過建立由二維平面混合網(wǎng)格縱向拉伸成的三維棱柱體網(wǎng)格，結(jié)合2.5D重構(gòu)和彈性光順動網(wǎng)格法，在降低網(wǎng)格數(shù)量、提高計(jì)算效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)一字閘門啟閉全過程三維流場模擬。引入VOF法對自由水面迭代求解，得到一字閘門啟閉過程門前后水位差及動水阻力矩變化規(guī)律，將計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)進(jìn)行比較，兩者吻合較好。模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)：門底間隙對閘門運(yùn)行整個(gè)階段動水阻力矩均有影響，動水阻力矩峰值隨門底間隙增大而變小。

船閘； 一字閘門； 數(shù)值模擬； 水動力特性； 阻力矩

近年來我國西部河流上規(guī)劃興建了多座高水頭單級大型船閘，由于西部山區(qū)河流多具有狹窄、落差大等特點(diǎn)，其船閘閘門多為“窄而高”的型式，較之人字閘門一字閘門能夠顯著降低閘門門體的“高寬比”，在適應(yīng)山區(qū)河流閘門工作水頭大、通航水位變幅大、航寬窄等運(yùn)行條件中具有特殊優(yōu)勢。

國內(nèi)外對船閘閘門水動力特性的研究，本質(zhì)上是對過流水體及門體相互作用關(guān)系的研究。通過探究不同功能、體型的船閘閘門在不同水頭、邊界條件等影響作用下，啟閉中的非恒定流過程或者全部開啟、局部開啟的恒定流過程，優(yōu)化船閘閘門結(jié)構(gòu)布置、邊界條件及啟閉方式，改善過閘水流流態(tài)，為船閘閘門及其啟閉機(jī)安全運(yùn)行提供意見及建議。

目前，對帶門底間隙的一字閘門轉(zhuǎn)動引起的復(fù)雜三維非恒定流模擬，未見相關(guān)報(bào)道。本文考慮閘門旋轉(zhuǎn)啟閉過程的繞流特性，采用在強(qiáng)流線彎曲、漩渦和旋轉(zhuǎn)有更好表現(xiàn)的Realizablek-ε雙方程紊流模型進(jìn)行三維數(shù)值模擬，重點(diǎn)關(guān)注啟閉過程動水阻力矩變化規(guī)律。由于一字閘門啟閉過程門前后水位差對門體所受動水阻力矩量值的增減起關(guān)鍵作用[1]，在模擬中處理自由表面邊界條件十分重要，故采用VOF法[2]對自由水面進(jìn)行捕捉。

1 一字閘門模型試驗(yàn)

按重力相似準(zhǔn)則取模型比尺為1∶20，滿足幾何相似、水流運(yùn)動相似、門體重心相似及啟閉機(jī)運(yùn)動相似。針對高水頭單級船閘一字閘門設(shè)計(jì)規(guī)模及閘室“窄而高”的特點(diǎn)，將模型布置于0.6 m×2.5 m(寬×高)水槽中。一字閘門門葉尺寸41.0 m×14.8 m×2.1 m(高×長×厚)，通過拉壓傳感器測得直聯(lián)式啟閉機(jī)推拉桿受力，據(jù)此獲得閘門所受動水阻力矩變化過程。采用無線數(shù)字波高儀測定閘門前后水位波動值。物理模型整體平面布置見圖1。

圖1 物理模型整體平面布置(單位：cm)Fig.1 Layout of a physical model (unit: cm)

2 計(jì)算模型

2.1 控制方程及數(shù)值算法

T. Shih等[3]認(rèn)為，紊動黏性系數(shù)計(jì)算式中的系數(shù)Cμ不應(yīng)是常數(shù)，而與應(yīng)變率聯(lián)系起來，從而提出了Realizablek-ε模型，適用于旋轉(zhuǎn)流動。結(jié)合研究實(shí)際，即高水頭船閘一字閘門啟閉過程具有較強(qiáng)的三維旋轉(zhuǎn)特性，且門頭等區(qū)域引起的水體旋轉(zhuǎn)不可忽略，綜合考慮精度、計(jì)算成本等因素，采用Realizablek-ε紊流模型進(jìn)行模擬，控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為流體密度；t為時(shí)間；p為壓強(qiáng)；ui為速度矢量在xi方向上的分量；ν為運(yùn)動黏性系數(shù)，ν=μ/ρ，μ為動力黏度；fi為xi方向單位體積力；αw為單元中水相的體積分?jǐn)?shù)；μt為紊動黏性系數(shù)；μt=Cμρk2/ε，Gk為壓力生成項(xiàng)，Cμ=(1/A0+ASU*k/ε)；C1=max(0.43，η/(η+5))；C2=1.9；σk=1.0，σε=1.2。

Cμ，C1計(jì)算式中各參數(shù)按以下計(jì)算：

引入VOF模型的紊流模型與未引入的紊流模型在形式上一致，但流體特性參數(shù)ρ和μ需根據(jù)體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行加權(quán)平均調(diào)整：

ρ=αwρw+(1-αw)ρa(bǔ)

(5)

μ=αwμw+(1-αw)μa

(6)

式中：μw和μa分別為水和氣的分子黏性系數(shù)。

對于氣液二相流而言：

αw+αa=1

(7)

式中：αa為氣相的體積分?jǐn)?shù)，水氣交界面通過求解連續(xù)方程獲得。

采用有限體積法對上述方程進(jìn)行離散，壓力-速度耦合采用PISO算法，對于瞬態(tài)問題具有較大優(yōu)勢。

2.2 計(jì)算區(qū)域及其離散

圖2 數(shù)學(xué)模型計(jì)算區(qū)域整體網(wǎng)格剖分Fig.2 Grids for numerical simulation

以物理模型試驗(yàn)為依據(jù)建模，考慮閘門啟閉過程影響，閘室上游邊界取距離閘門軸心位置115 m，下游邊界取離閘門軸心100 m。計(jì)算區(qū)域取船閘閘室，寬12 m，門庫尺寸長17.6 m，寬3.3 m?？紤]門底間隙及門檻的影響，參照模型取門底間隙為2.1 m。采取平面劃分混合網(wǎng)格，門庫區(qū)域?yàn)槿切畏墙Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格，閘室段為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，縱向拉伸為棱柱體網(wǎng)格，初始水位交接面縱向拉伸網(wǎng)格作加密處理。整體網(wǎng)格剖分見圖2。

2.3 邊界條件

為方便計(jì)算且不失通用性，取水流的靜止?fàn)顟B(tài)為初始條件，閘墻及閘室底部邊界均為固壁邊界。由于上、下游邊界距離閘門足夠遠(yuǎn)，考慮靜水啟閉閘門影響范圍及計(jì)算成本，將上、下游邊界作固壁邊界[4-5]。上表面氣體邊界定義為壓力邊界。閘門輪廓表面定義為剛體動邊界。閘門門底縫隙處作自由出流。

實(shí)現(xiàn)一字閘門運(yùn)行全過程動態(tài)仿真研究，核心在于一字閘門啟閉過程的動邊界處理，動網(wǎng)格更新方法采用2.5D網(wǎng)格重構(gòu)法[6]，指定拉伸面(三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格區(qū)域)為變形區(qū)域，使用局部網(wǎng)格重構(gòu)結(jié)合彈簧光順法再生網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)閘門啟閉過程的同時(shí)大大減少網(wǎng)格數(shù)量，提高網(wǎng)格重構(gòu)及計(jì)算求解過程的效率。動網(wǎng)格計(jì)算時(shí)間步長取0.05 s，每5個(gè)時(shí)間步長更新一次網(wǎng)格[7]。

閘門動態(tài)開啟方式使用FLUENT預(yù)定義宏DEFINE_CG_MOTION，定義閘門角速度ω的變化，ω與直聯(lián)式啟閉機(jī)布置及啟閉機(jī)活塞桿運(yùn)行方式有關(guān)[8-9]：

(8)

式中：ω(t)為閘門角速度；s為活塞桿行程；βi為閘門運(yùn)轉(zhuǎn)角度(關(guān)閉過程由0°到90°變化)；a0為閘門全開時(shí)啟閉機(jī)旋轉(zhuǎn)中心到活塞桿與閘門連接處距離；b為閘門旋轉(zhuǎn)中心到活塞桿與閘門連接處距離；c為啟閉機(jī)旋轉(zhuǎn)中心到閘門旋轉(zhuǎn)中心的距離；β0為閘門全開時(shí)活塞桿與閘門連接處同閘門旋轉(zhuǎn)中心的連線與啟閉機(jī)旋轉(zhuǎn)中心同閘門旋轉(zhuǎn)中心的連線之間的夾角，此類參數(shù)均與啟閉機(jī)布置尺寸有關(guān)。定義門位N=(90°-βi)/90°，即閘門運(yùn)行角度βi=0°時(shí)，門位N=1。

圖3 一字閘門開啟過程網(wǎng)格對比Fig.3 Comparison of grids for single-leaf gate

研究模擬閘門活塞桿勻速運(yùn)動180 s過程，活塞桿需經(jīng)歷初期加速及后期減速階段，由模型試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)初期加速時(shí)間為2 s，將活塞桿運(yùn)動方式簡化為1～2 s勻加速、2～178 s勻速、178～180 s勻減速三階段。利用式(8)得到閘門角速度過程，給出控制閘門運(yùn)動UDF。

圖3給出閘門開啟過程中網(wǎng)格重構(gòu)前及重構(gòu)后運(yùn)動區(qū)域網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量重構(gòu)良好，滿足計(jì)算要求。

3 模型驗(yàn)證

驗(yàn)證淹沒水深為30 m、門底間隙2.1 m，活塞桿勻速運(yùn)動時(shí)長180 s門體開啟及關(guān)閉過程所受動水阻力矩過程。

3.1 動水阻力矩驗(yàn)證

一字閘門承受動水阻力矩Mz為水流作用力對門體旋轉(zhuǎn)中心求矩，包括水壓力阻力矩Mpz及黏滯力阻力矩Mvz。其中水流對門體運(yùn)行過程阻力，主要為x方向水壓力Fpx與黏滯力Fvx，y方向水壓力Fpy與黏滯力Fvy。水流作用力[10]表示如下

(9)

式中：px，py分別為一字閘門任意表面上水壓力在x，y方向上的分量；τx，τy分別為一字閘門任意表面上黏滯應(yīng)力在x，y方向上的分量；As為一字閘門表面；(x0，y0)為一字閘門垂直旋轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)，(x，y，z)為一字閘門門體表面任意一點(diǎn)坐標(biāo)，動水阻力矩根據(jù)一字閘門門體網(wǎng)格采用數(shù)值積分求出。

3.2 門前后波動水位差驗(yàn)證

數(shù)學(xué)模型計(jì)算與物理模型試驗(yàn)在動水阻力矩量值、閘門前后水位波動及變化趨勢方面吻合較好(見圖4和5)，可以認(rèn)為數(shù)值模擬方法正確，結(jié)果可信。

歡迎李嶠汝重新回到鄭州的午宴安排在河南飯店。河南飯店現(xiàn)在雖說只剩個(gè)虛名，畢竟還掛著河南兩個(gè)字。愧疚，補(bǔ)償，總得有個(gè)表達(dá)的形式，蘇楠理解姥姥他們的心理。飯桌上，姥姥不時(shí)絮叨出一些蘇楠她們根本就沒有記憶的往事。蘇楠和李嶠汝都很配合，兩個(gè)人頭還湊到一起自拍了張照片。李嶠汝傳到微信上，配的文字是，3 0多年前的親姐妹。蘇楠不甘落后，在下面回復(fù)糾正，3 0多年后也是親姐妹。

圖4 動水阻力矩?cái)?shù)模計(jì)算值與物模實(shí)測值對比Fig.4 Comparison between calculated and measured values of hydraulic torque

圖5 門前后平均水位波動差數(shù)模計(jì)算值與物模實(shí)測值對比Fig.5 Comparison between calculated and measured values of water level fluctuation

4 流場分析

4.1 開門階段

通過數(shù)值模擬閘門活塞桿勻速開啟180 s工況下流場情況，帶門底間隙的一字閘門在啟閉過程中具有明顯的三維特性。

圖6和7分別給出了一字閘門開啟過程水平表面及垂向流場的變化過程(mag表示投影在顯示截面上流速的大小)：對比計(jì)算及實(shí)測流場圖可以發(fā)現(xiàn)，流態(tài)變化特性與模型試驗(yàn)觀測到的水流流態(tài)一致。

圖6 一字閘門活塞桿勻速開啟180 s過程表面流場變化(單位：m/s)Fig.6 Horizontal flow field past opening gate (unit： m/s)

圖7 一字閘門活塞桿勻速開啟180 s過程垂向流場變化(單位：m/s)Fig.7 Vertical flow field past opening gate (unit: m/s)

開門初期，閘門推動水體，部分水體通過門底、門頭及門尾部縫隙繞過閘門，垂向水流交換顯著，繞流過流面小，水平流速大。隨著門體開啟，繞過門頭的水流發(fā)生分離，在背離閘門運(yùn)動方向面形成一個(gè)豎軸漩渦，漩渦尺寸隨著門體靠近門庫而逐漸變大，漩渦中心逐漸向門庫側(cè)移動。底部水體流過門體時(shí)與門底間隙發(fā)生分離，進(jìn)而發(fā)展成橫軸漩渦，并與豎軸漩渦相互作用，影響門后豎軸漩渦長度。閘門運(yùn)動推動水體至全開位階段，門庫邊界與門體共同作用，致使閘門門前水位壅高，水流受擠壓向門底、門頭及門尾處間隙流動，此時(shí)門前水流垂向速度向下，水平流速向門體門頭及門尾兩側(cè)。然而受閘室內(nèi)豎軸漩渦的影響，門后水流同樣垂向流速向下，水平流速向門頭及門尾兩側(cè)，阻礙各縫隙出口的水流交換，此時(shí)會在門底間隙處形成橫向漩渦。受門庫、門體邊界及閘室漩渦的綜合影響，門庫內(nèi)水流流動不暢產(chǎn)生振蕩波動，形成動水阻力矩峰值。

4.2 關(guān)門階段

圖8和9分別給出了一字閘門關(guān)閉過程水平表面及垂向流場的變化過程：閘門運(yùn)動推動水體至全關(guān)位階段，關(guān)門初閘門從門庫位置開始推動水體，啟動初期致使門庫內(nèi)水位下降，門前后面產(chǎn)生較大水位差，引起門前水流通過底部、門頭及門尾位置處間隙向門內(nèi)補(bǔ)水，門底形成橫軸漩渦。補(bǔ)水水流在門后形成交匯，由于門庫形式“窄而淺”且閘門門頭處水流不暢，門庫中往復(fù)振蕩形成水面波動。隨門體關(guān)閉，水流繞過門頭發(fā)生分離，在背離閘門運(yùn)動方向側(cè)形成豎軸漩渦，門頭離開門庫瞬間漩渦迅速發(fā)展，漩渦尺寸隨門體靠近全關(guān)位而逐漸變大，漩渦中心向全關(guān)位移動。門體、閘墻及門底門檻共同作用下，閘門門前水位壅高，水流受擠壓向門底、門頭及門尾處間隙流動，此時(shí)門前水流垂向速度向下，水平流速向門體門頭及門尾兩側(cè)，受擠壓水體通過門頭處流動方向與開門過程中形成豎軸漩渦方向一致，水體沿閘墻流動并與漩渦匯合。通過門尾縫隙流向閘門另一側(cè)水體運(yùn)動方向與漩渦旋轉(zhuǎn)方向相反，與漩渦充分能量交換后速度逐漸減小。

圖8 一字閘門活塞桿勻速關(guān)閉180 s表面流場變化(單位： m/s)Fig.8 Horizontal flow field past closing gate (unit： m/s)

圖9 一字閘門活塞桿勻速關(guān)閉180 s過程垂向流場變化(單位： m/s)Fig.9 Vertical flow field past closing gate (unit： m/s)

5 門底間隙影響分析

門底間隙的大小影響水流通過底部的通暢與否，繞流形成橫軸漩渦影響豎軸漩渦的長度，門底間隙越大，豎軸漩渦長度越短，影響門體運(yùn)行受力。通過數(shù)值計(jì)算獲得不同門底間隙下一字閘門啟閉過程動水阻力矩曲線(見圖10)，并作不同門底間隙下各階段阻力矩峰值散點(diǎn)圖(見圖11)。

圖10 不同門底間隙情況下動水阻力矩計(jì)算曲線Fig.10 Hydraulic torque with different gate clearances

圖11 不同門底間隙下動水阻力矩峰值計(jì)算值Fig.11 Variation of hydraulic torque peak values with different gate clearances

一字閘門幾個(gè)典型階段的動水阻力矩峰值隨門底間隙增大均有相應(yīng)減小，門底間隙對閘門運(yùn)行整個(gè)階段的動水阻力矩均有影響。

開門階段，門底間隙由0增加到2.1 m，開門初第1峰值與第2峰值及開門末動水阻力矩峰值分別下降13%，44%及33%，說明門底間隙對開門初第2峰值影響較大，主要由于閘門開門初期門頭與閘墻距離很小，若門底間隙過小，在此階段門前后水位差必然迅速增大，而第2峰值所在門位恰好為門頭邊緣與閘墻邊界的距離由小開始增大的臨界位置，門前水位在此門位之前將持續(xù)壅高，因此需合理設(shè)置門底間隙，避免開門初第2峰值出現(xiàn)。當(dāng)門底間隙繼續(xù)增大，阻力矩峰值降低不明顯。

關(guān)門階段，門底間隙由0增加到2.1 m，關(guān)門初及關(guān)門末阻力矩峰值分別下降13%和39%，說明關(guān)門末動水阻力矩峰值對門底間隙大小更為敏感。當(dāng)門底間隙繼續(xù)增大，關(guān)門階段阻力矩增長不明顯。

6 結(jié) 語

針對高水頭船閘一字閘門建立三維數(shù)值模擬，通過建立二維平面網(wǎng)格(閘門運(yùn)動區(qū)域?yàn)槿切畏墙Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其余為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格)，縱向拉伸為三維棱柱體網(wǎng)格方式，較好地結(jié)合2.5D網(wǎng)格重構(gòu)及彈性光順動網(wǎng)格方法，減少計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量、提高計(jì)算效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)一字閘門啟閉全過程三維流場模擬，計(jì)算結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，表明建立數(shù)值模型可靠，具有較高計(jì)算精度。

根據(jù)模擬結(jié)果，首次揭示一字閘門啟閉過程流場變化規(guī)律，在門庫等邊界條件約束、水體繞過門頭處分離產(chǎn)生的豎軸漩渦及繞過門體間隙分離形成的橫軸漩渦綜合影響，具有較強(qiáng)三維特性。

門底間隙大小影響動水阻力矩全過程，增大門底間隙可降低動水阻力矩峰值。較小的門底間隙會使一字閘門在開門過程門位0.1處產(chǎn)生阻力矩第2峰值，應(yīng)予以避免。

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Numerical simulation of hydrodynamic characteristics of single-leaf gate of high-head navigation lock

CHEN Qiong， LI Yun， LIU Benqin， WANG Xiaodong

(NanjingHydraulicResearchInstitute，Nanjing210029，China)

The hydrodynamic characteristics of the single-leaf gate of a high-head navigation lock located at a mountain river are studied in this paper. The submerged water depth of this gate is up to 30 meters. The dynamic simulation of the 3D unsteady flow field during the opening and closing processes of the single-leaf gate is made by using a Realizablek-εturbulence model on the basis of FLUENT software. The three-dimensional flow field simulation of the whole processes of the gate opening and closing is realized by the aid of 3D prism grids stretched by the 2D hybrid grids， combined with the 2.5D reconstruction and elastic dynamic grid fairing method, reducing the number of grids and improving the efficiency of numerical simulation. The flow pattern around the gate, water level difference between the gate’s front and back and the variation law of the hydraulic resisting torque are obtained by introducing the volume of fluid method (VOF) for the water-air two-phase flow into the iteration of calculation. The calculated results coincide well with the test results, which shows that the numerical model is reliable and has a high precision. It is found from the results of numerical solution that the values of the hydraulic resisting torque are influenced by the bottom clearance of the gate during its whole opening and closing processes and the peak value of the hydraulic torque decreases with the increase of the bottom clearance. The simulated results will help to optimize the design of gate structures and reduce the force of the directly-connected hydraulic hoist.

navigation lock; single-leaf gate; numerical simulation; hydrodynamic characteristics; hydraulic resisting torque

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.01.012

2016-03-02

交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“山區(qū)通航樞紐大型船閘新型閘門動力特性研究”(2013329746280)

陳 瓊(1990—)， 女， 江蘇常州人， 碩士研究生， 主要從事通航水力學(xué)方面研究。 E-mail: qiongchennhri@foxmail. com

U641.1

A

1009-640X(2017)01-0087-08

陳瓊， 李云， 劉本芹， 等. 高水頭船閘一字閘門水動力特性數(shù)值模擬[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2017(1): 87-94. (CHEN Qiong, LI Yun, LIU Benqing, et al. Numerical simulation of hydrodynamic characteristics of single-leaf gate of high-head navigation lock[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(1): 87-94. (in Chinese))