基于FLUENT軟件的攔河閘水力特性數(shù)值模擬

(遼寧省東港市友誼灌區(qū)管理處，遼寧 東港 118300)

攔河閘主要用來調(diào)節(jié)上游水位和控制下泄水流流量，當(dāng)發(fā)生洪水時，一方面可以通過開閘泄洪，保證上游洪水位低于防洪水位，另一方面可以調(diào)節(jié)下泄流量，使下泄流量低于下游河道的安全泄量[1]，從而實現(xiàn)航運、灌溉、發(fā)電引水、城鎮(zhèn)供水排淤泄沙、水沙平衡的目的。攔河閘主要設(shè)置在河道順直、河床穩(wěn)定的河段，可以保證水流平順，單寬流量均勻，盡可能縮短閘下消能防沖設(shè)施長度[1-4]。

1 工程概況

某攔河閘坐落于遼寧省境內(nèi)，主要以攔漂為主，同時兼顧交通功能，該工程為綜合利用的水利工程，工程等級為Ⅱ等。工程主要設(shè)施包括攔河閘、船閘、電站、道路和碼頭等。永久性主要建筑物級別為2級；次要建筑物級別為3級；船閘導(dǎo)航墻、碼頭擋土墻級別為3級。設(shè)計洪水重現(xiàn)期為100 a(P=1%)，校核洪水重現(xiàn)期為1 000 a(P=0.1%)。攔河閘、船閘及電站工程安全使用年限為100 a，閘門安全使用年限為50 a，碼頭工程、清漂工作平臺工程及道路工程安全使用年限為50 a。攔河閘設(shè)18孔，攔河閘孔寬為12 m，1孔溢流閘，平板閘門高14 m，圓弧形中墩寬3 m，閘底板高程 286.5 m。中部溢流閘寬12 m，閘墩寬3 m，閘門分7節(jié)，總高14 m，正常蓄水位301.14 m。船閘總寬24 m，電站總寬60.4 m。左右岸岸坡與船閘壩段及電站壩段的連接采用擋水壩連接的方式。工程整體平面見圖1，攔河閘尺寸見圖2。

2 FLUENT軟件

FLUENT軟件主要用于二維、三維流體物質(zhì)分析，能夠?qū)攵囝愋偷腃AD軟件三維模型和多種CAE網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)內(nèi)存分配的動態(tài)化。FLUENT軟件核心思想是將研究區(qū)域全部數(shù)據(jù)導(dǎo)入控制方程，通過計算研究區(qū)域內(nèi)的流體方程，完成計算區(qū)域內(nèi)所有物理量的求解。FLUENT軟件需要依靠Autocad、ICEM(Integrated Computational Engineering and Manufacturing)軟件進行前處理。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分或非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分都需要借助ICEM軟件，首先在Autocad中建立攔河閘數(shù)值模型，隨后將CAD圖形導(dǎo)入ICEM中進行下一步的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，操作步驟見圖3。FLUENT軟件后期處理借助CFD-POST軟件，該軟件可以顯示關(guān)鍵部位物理量，如速度、壓力、溫度等；同時，用戶還可以自定義研究區(qū)域，最終以矢量圖、云圖、曲線、XY散粒圖、等值線圖等方式顯示出數(shù)據(jù)結(jié)論[5]。求解流程見圖4。

圖1 工程整體平面(單位：m)

圖2 攔河閘尺寸 (單位: mm)

圖3 ICEM 劃分網(wǎng)格步驟

3 攔河閘數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)學(xué)模型建立

首先利用CAD軟件繪制攔河閘的三維模型，邊界為對稱邊界。攔河閘的三維模擬區(qū)域范圍為：X方向從上游水庫樁號0-046.00斷面至0+132.80斷面；Z方向上游和下游均為15 m，在攔河閘段為12 m；Y方向上下游水深方向分別為283～312.27 m、280～312.27 m。研究區(qū)域內(nèi)的下游高程為280 m，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分借助ICEM-CFD軟件生成，計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分見圖5，ICEM 網(wǎng)格質(zhì)量檢測見圖6。模型中選擇多相流模型，設(shè)置水和空氣兩種材料[6-8]。

圖6 ICEM 中網(wǎng)格質(zhì)量檢測

3.2 邊界條件設(shè)置

進口處空氣項采用壓力入口模塊，水流項采用速度入口模塊，初始水流速度為泄流量與斷面面積的乘積。水力直徑為 21.2 m，除側(cè)壁邊界設(shè)置為對稱邊界，其余邊界都設(shè)置為單獨邊界。出口設(shè)壓力出口, 回流湍流強度設(shè)為6%，回流水力直徑設(shè)為17.7 m，自有面水平為290.84 m，底部邊界水平為280 m。攔河閘表面粗糙率為 0.014，壁面邊界條件糙率設(shè)為0.014。

4 數(shù)值模擬結(jié)果

4.1 泄流能力

泄流能力的大小關(guān)乎著攔河閘是否能夠發(fā)揮出灌溉、引水、沖沙的最大效能，流量系數(shù)是影響泄流能力的重要參數(shù)，主要受邊界條件和初始泄流條件影響。攔河閘為寬頂堰，其流量系數(shù)可根據(jù)下游200 m水位流量關(guān)系進行確定。寬頂堰流公式為

(1)

式中，m為流量系數(shù)；b為堰寬，m;H為堰上水頭，m；n為實測流量系數(shù)。

基于FLUENT軟件,借助單孔對模型中19孔正常蓄水位下的泄流能力進行了模擬，當(dāng)模型流量穩(wěn)定后利用軟件提取流量值，實測值與模擬值對比結(jié)果見表1。當(dāng)以進出口流量差值小于5%作為收斂標(biāo)準(zhǔn)時，模型結(jié)果比實測值高 2.97%，小于收斂標(biāo)準(zhǔn)。

表1 流量實測與模擬對比

4.2 沿程水面高程

通過FLUENT軟件計算150 s后，計算趨于穩(wěn)定。當(dāng)FLUENT軟件運行150 s后模型系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，液體流動的水面線用運行頻率VOF=0.5的水汽交界面作為標(biāo)準(zhǔn)。表2列出了中孔中線當(dāng)z=0時實測和數(shù)值模擬水面高程的具體數(shù)值，由正常蓄水位模擬值和實測值對比可知兩者是非常接近的，表明模擬結(jié)果比較可靠。

表2 中孔中線z=0位置處水面高程對比 m

圖7 正常蓄水位模擬值和實測值對比

由圖7可知，在攔河閘水流進口處有顯著的水跌現(xiàn)象產(chǎn)生，而在下泄段，挑流出口水面高程有一個較小的升高值，隨后下游水面趨于平穩(wěn)。觀察可知，攔河閘的控制下水流流態(tài)整體較平順，流態(tài)較好。試驗值和模擬值之間的差值小，兩者狀態(tài)較吻合。

4.3 流 速

流速反映水流動能大小是消能設(shè)施建立與避免空化空蝕的重要參考依據(jù)，流速大小影響攔河閘的消能防沖效應(yīng)以及引水輸沙作用發(fā)揮。流速過大，挑流出口處壓強低于汽化壓強，將產(chǎn)生氣泡，帶有氣泡的流水移動到高壓區(qū)時：①可能會發(fā)生空蝕；②水流與下游河床接觸時的下切速度將過大，導(dǎo)致下游消能防沖受到嚴(yán)重沖刷。流速若小于不淤流速，將會導(dǎo)致引水過程中沙土沉積，嚴(yán)重影響引水排沙效能。分析可知，為同時發(fā)揮引水排沙效能并降低消能防沖設(shè)施壓力，流速要介于推移質(zhì)的起動流速與不沖流速。各斷面流速模擬值和實測值對比見表3，各斷面流速見圖8。分析可知，實測流速與理論模擬流速相差不大，在25 m位置處出現(xiàn)了最高流速17 m/s。

表3 各樁位流速對比

圖8 各斷面流速

分析可知，進口流量不變的狀況下，攔河閘進口處水流流速最小，隨著側(cè)收縮的影響，水面高程降低后，水流流速顯著增加，特別是水流流經(jīng)斜坡下泄時，流速變得更大，流速在挑坎附近處達到了最大值。在水流下游處，隨著下游水面升高，流速降低。

4.4 壓 強

當(dāng)水閘存在流水過流時，鑒于壩面存在不平整狀況，會使得過流面產(chǎn)生負(fù)壓，進而產(chǎn)生空化空蝕現(xiàn)象。水流通過攔河閘后勢必會發(fā)生水頭損失，導(dǎo)致沿程總能量的降低。若流速增大時，如果位置水頭固定或變化很小，壓強水頭也呈現(xiàn)減小趨勢。此時水流的過流面將產(chǎn)生負(fù)壓，負(fù)壓很大時將產(chǎn)生嚴(yán)重的空化空蝕現(xiàn)象。為了增加攔河閘的過流能力，一些攔河閘將溢流面設(shè)計成負(fù)壓面。若流體內(nèi)質(zhì)點相對靜止，質(zhì)點之間無相對運動，此時認(rèn)為流體內(nèi)沒有切應(yīng)力，故流體的壓強作用方式可以直接表征靜止液體之間的相互作用關(guān)系，壓強模擬值和實測值對比見表4，壓強水頭對比值見圖9。分析可知，壓強模擬值和實測值的誤差范圍介于 0.49～-0.19 Pa，實測壓強水頭值、壓強值與模擬值相差不大，表明模擬數(shù)據(jù)較為真實地反映了現(xiàn)場情況。

表4 壓強模擬值和實測值對比

圖9 壓強水頭對比值

5 結(jié) 論

流量穩(wěn)定后，模型計算結(jié)果比實測值大 2.97%，小于5%的收斂標(biāo)準(zhǔn)。在攔河閘水流進口處有顯著的水跌現(xiàn)象產(chǎn)生，而在下泄段，挑流出口水面高程有一個較小的升高值，隨后下游水面趨于平穩(wěn)。試驗值和模擬值之間的差值小。實測流速與理論模擬流速之間相差均不大，最高流速(17 m/s)出現(xiàn)在25 m處，在水流下游處，隨著下游水面升高，流速降低。壓強模擬值和實測值的誤差范圍介于0.49～-0.19 Pa，實測壓強水頭值、壓強值與模擬值相差不大。模擬數(shù)據(jù)較為真實地反映了實際結(jié)果，驗證了FLUENT軟件模擬在攔河閘水力特性研究上的可行性。