水力式升船機(jī)組合閥運(yùn)行方式優(yōu)化*

王 蛟，胡亞安，薛 淑，李學(xué)義，鞏 炎

(1.重慶交通大學(xué)，重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，內(nèi)河航道整治技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶西科水運(yùn)工程咨詢中心，重慶 400016；2. 南京水利科學(xué)研究院，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

為防止閥門損壞導(dǎo)致升船機(jī)無法運(yùn)行等極端事故的發(fā)生，水力式升船機(jī)控制閥門需要采用多線并行的基本形式來提高運(yùn)行可靠度。同時(shí)，水力式升船機(jī)具有以下運(yùn)行特性[1]：空中運(yùn)行階段，要求閥門供流量大，盡量提高升船機(jī)的運(yùn)行效率；對(duì)接階段，要求閥門控流精確，盡量提高對(duì)接精度。景洪工程基于以上要求，采用了“一主兩輔”的組合閥布置形式(圖1)，主閥居中，流量系數(shù)較強(qiáng)；兩側(cè)為輔閥，過流能力較弱。

圖1 組合閥示意

景洪工程最初采用三岔管來實(shí)現(xiàn)三閥并流，但原型觀測(cè)發(fā)現(xiàn)三岔管振動(dòng)明顯。后經(jīng)模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在三岔管匯合段會(huì)形成“螺旋流”(圖2)，多股水流互沖摻混，流態(tài)極不穩(wěn)定，導(dǎo)致管道強(qiáng)烈振動(dòng)[2]。景洪工程技術(shù)改造利用突擴(kuò)體來改善活塞閥后的不利流態(tài)，減弱水流對(duì)管壁的直接沖擊。但不論采用三岔管還是突擴(kuò)體，并列多閥都存在一個(gè)組合閥流量分配問題。多股射流向同一有限腔體內(nèi)排放水體，在滿足升船機(jī)運(yùn)行特性的基礎(chǔ)上，為了盡量降低多股水流對(duì)匯合管段的沖擊影響，如何合理地運(yùn)行組合閥并分配三閥流量是一個(gè)亟待解決的問題。

圖2 發(fā)生于閥后叉管匯合處的“螺旋流”

景洪工程組合閥運(yùn)行方式優(yōu)化問題的實(shí)質(zhì)是多孔紊動(dòng)射流問題，由于多孔紊動(dòng)射流問題涉及孔型、孔間距、流量比等諸多因素，研究關(guān)注重點(diǎn)一般為流場(chǎng)結(jié)構(gòu)等全域特性，因此一般采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究。針對(duì)實(shí)際工程問題，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型一般可以取得較為理想的模擬成果。但由于ε方程未考慮各向異性，對(duì)流場(chǎng)的精細(xì)研究，例如回流、漩流及分離流等就很難取得理想的研究成果。因此，為了深入研究多孔紊動(dòng)射流的特性，取得更為精確的成果，需要改進(jìn)模型。相關(guān)數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)理論方面，國(guó)外研究起步較早，成果較多。Lakehal[3-4]、Theodoridis等[5]基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，在近壁層湍流應(yīng)力中引入各向異性假設(shè)，其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)資料吻合度有所提高；Rodi等[6]將流場(chǎng)劃分為主流區(qū)和近壁區(qū)，對(duì)不同區(qū)域采用不同的計(jì)算模型，簡(jiǎn)稱“兩層模型”，該方法也提高了模擬精度；Leschziner等[7]和Tsao等[8]利用三維模型對(duì)各種渦黏模型和大渦模擬進(jìn)行了比較，成果表明大渦模擬可以提高模擬精度；Kheirkhah等[9]采用多種湍流模型對(duì)三維壁面射流進(jìn)行模擬研究，成果表明realizablek-ε模型和RSMs模型的模擬精度最為合理。

國(guó)內(nèi)對(duì)于多孔紊動(dòng)射流的相關(guān)研究起步較晚，研究?jī)?nèi)容多服務(wù)于實(shí)際工程。戴光清[10]基于k-ε模型研究了水墊塘內(nèi)多股射流的流場(chǎng)特性，涵蓋了入射間距、水股厚度和沖擊角度等；楊忠超等[11]采用VOF法，基于向家壩工程對(duì)多股多層水平淹沒射流進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分析該類出流方式的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和消能特性；龍新平等[12]采用Realizablek-ε模型研究多孔射流泵內(nèi)部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并嘗試?yán)脺u動(dòng)理論分析泵內(nèi)流體的混合機(jī)理；王曉鵬等[13]采用RNGk-ε模型研究不同間距對(duì)消力池流態(tài)的影響規(guī)律；牛萬芬[14]采用RNGk-ε模型對(duì)船閘輸水系統(tǒng)三維多孔壁面射流的消能特性進(jìn)行研究，揭示了單孔、并行雙孔紊動(dòng)射流的消能機(jī)理；高猛等[15]運(yùn)用兩相流混合模型對(duì)橫流中垂直出流式多孔射流進(jìn)行數(shù)值模擬，觀察多孔射流的分叉和融合現(xiàn)象，定量分析了多孔射流的融合位置及其濃度的變化，可為擴(kuò)散器的理論研究和設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)；李一明等[16]利用 Realizablek-ε湍流模型研究平行多孔射流的流場(chǎng)特性，分析多孔射流的卷吸與合并作用。

綜上可知，多孔紊動(dòng)射流的相關(guān)研究主要涉及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、速度場(chǎng)、紊動(dòng)場(chǎng)的分布規(guī)律，考慮了孔徑、孔間距、速度比等影響因素，并已取得豐富的研究成果。但多孔紊動(dòng)射流問題較單孔射流復(fù)雜得多，很難得到普適性的理論成果。多孔紊動(dòng)射流間的相關(guān)作用規(guī)律、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生機(jī)理等還有待深入研究。本文依托景洪工程，建立三維受限空間多孔紊動(dòng)射流模型，研究充水閥門段組合閥的運(yùn)行優(yōu)化問題，可供類似工程參考借鑒。

1 數(shù)學(xué)模型建立

1.1 湍流模型

考慮到模擬范圍內(nèi)紊動(dòng)射流對(duì)突擴(kuò)體邊壁的沖擊會(huì)形成明顯的回流、渦旋，因此采用可以模擬平均流動(dòng)中的旋渦流、分離流等復(fù)雜流動(dòng)的RNGk-ε模型作為計(jì)算模型[17]。RNGk-ε模型是在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的基礎(chǔ)上，對(duì)ε方程進(jìn)行了改進(jìn)，增加了一項(xiàng)Rε。

k方程：

(1)

ε方程：

(2)

式中：ρ為流體密度；k為紊動(dòng)能；u為速度；μeff為有效黏性系數(shù)；Gk為湍流動(dòng)能；ε為耗散率；t為時(shí)間；C1、C2為常數(shù)；αk和αε為有效普朗特?cái)?shù)。

(3)

1.2 三維模型及網(wǎng)格劃分

數(shù)模計(jì)算范圍是水力式升船機(jī)的充水閥門段，主要包括閥前整流段、組合閥、突擴(kuò)體和匯合管共4部分。為了更準(zhǔn)確地模擬突擴(kuò)體內(nèi)部的水力特性，閥前整流段和匯合管段均取為10倍管徑長(zhǎng)度，以便穩(wěn)定進(jìn)出口邊界條件。組合閥考慮主輔閥的流阻差異，與閥門原型保持一致，中間主閥流量系數(shù)較大，兩側(cè)輔閥流量系數(shù)較小(流量系數(shù)≈3:1)，三閥通徑相等，并列排布。三維模型具體尺寸為：閥前整流段半徑×長(zhǎng)為0.8 m×8 m，組合閥3臺(tái)，閥門通徑為1.6 m，突擴(kuò)體的長(zhǎng)×寬×高為5.7 m×10.2 m×3.2 m，匯合管段半徑×長(zhǎng)為1.2 m×12 m。圖3為計(jì)算模型的主要組成部分和邊界條件。

圖3 計(jì)算模型及邊界條件

計(jì)算區(qū)域大小約為28 m×10 m×3 m(長(zhǎng)×寬×高)，為保證計(jì)算精度，同時(shí)提高效率，采用混合網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)圓管及突擴(kuò)體等結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的部分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，減少網(wǎng)格數(shù)量；對(duì)閥門等幾何復(fù)雜的部分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，同時(shí)對(duì)流速較大區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，確保精度。網(wǎng)格劃分過程中，嘗試了多種網(wǎng)格尺度(表1)，網(wǎng)格有效性由閥門流量系數(shù)表征，最終通過對(duì)比計(jì)算精度及效率來確定使用尺度。驗(yàn)算結(jié)果表明模型整體使用0.1 m、局部加密采用0.05 m的網(wǎng)格尺度時(shí)的計(jì)算效率較佳，精度合適，基本模型的網(wǎng)格單元總數(shù)約150萬個(gè)。模型網(wǎng)格及局部細(xì)節(jié)見圖4。

表1 網(wǎng)格有效性驗(yàn)證

圖4 模型網(wǎng)格劃分

1.3 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證通過與物模試驗(yàn)相同工況進(jìn)行對(duì)比計(jì)算來完成。物理模型同樣基于景洪充水閥門段，適當(dāng)概化，突擴(kuò)體采用有機(jī)玻璃制作，采用1:10的模型比尺。驗(yàn)證對(duì)比區(qū)域選取主閥后突擴(kuò)體廊道頂沿程測(cè)點(diǎn)(1#～7#)，見圖5。

耳內(nèi)鏡下不同給藥頻率曲安奈德益康唑乳膏治療真菌性外耳道炎的療效觀察（張思思 林川耀 陸玲 張小莉 劉晶 錢曉云 佘萬東）4∶253

圖5 模型照片

驗(yàn)證結(jié)果見圖6，橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)與閥門出口的距離(L)，縱坐標(biāo)為壓力水頭(H)。模型試驗(yàn)結(jié)果表明：閥后突擴(kuò)體—主閥頂測(cè)點(diǎn)壓力水頭的時(shí)均變化有沿程逐漸增大的趨勢(shì)，但整體變幅不大，驗(yàn)證工況下變幅在1 m水頭以內(nèi)。相對(duì)而言，數(shù)模計(jì)算結(jié)果整體略微偏小，壓力水頭變幅在0.5 m水頭以內(nèi)，但分布規(guī)律相似。計(jì)算值整體均略小于試驗(yàn)值，但偏差不大，驗(yàn)證工況下最大偏差不超過5%。為保證突擴(kuò)體段壓力的穩(wěn)定性，三維模型突擴(kuò)體后匯合管采用了直管，而試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎玫氖菑澒?。彎管?duì)突擴(kuò)體水體出流有一定的阻尼作用，將略微增大突擴(kuò)體段壓力，因此造成了三維模型計(jì)算值整體略微偏小。

圖6 驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2 計(jì)算成果分析

本研究的主要思路是：針對(duì)組合閥典型運(yùn)行方式進(jìn)行不同流量比的閥門段流場(chǎng)特性三維數(shù)值模擬計(jì)算，分析其速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等流場(chǎng)水力特性，揭示其流場(chǎng)水力特征；再以典型軸線沿程最大流速(Uo)和閥門通徑(a)為比尺，對(duì)各典型工況的流場(chǎng)典型剖面中軸線(圖7)流速分布進(jìn)行無量綱分析，計(jì)算流場(chǎng)均勻度，討論組合閥典型運(yùn)行方式與流場(chǎng)均勻度的關(guān)系，確定組合閥的合理運(yùn)行方式。主要計(jì)算工況見表2。

圖7 流場(chǎng)分析特征軸線

表2 組合閥運(yùn)行方式研究方案

2.1 典型閥門段水力特性

2.1.1主閥單獨(dú)運(yùn)行

主閥單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，主閥中軸線沿程水力特性參數(shù)無量綱分布見圖8。突擴(kuò)體段(X=0～3.5a)射流流速迅速增加，在X=1.0a附近達(dá)到最大流速，這是活塞閥環(huán)狀出流的匯聚過程；壓力先迅速降低，而后基本維持穩(wěn)定；紊動(dòng)能在突擴(kuò)體內(nèi)部均較小，在匯合管入口附近逐漸增大。匯合管段(X=3.5a～11a)流速沿程逐漸降低，在X=7.0a附近趨于穩(wěn)定值；壓力從匯合管入口迅速上升，在X=4.5a附近增速有所降低，在X=7.0a附近恢復(fù)至穩(wěn)定值；在X=3.5a～7a段紊動(dòng)能最強(qiáng)，而后逐漸降低?？梢?，主閥單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，射流在突擴(kuò)體段流速較高、壓力較低、紊動(dòng)較弱；射流保持較高流速進(jìn)入?yún)R合管后，對(duì)匯合管形成強(qiáng)烈沖擊，流速逐漸降低、壓力逐步回升、紊動(dòng)明顯增強(qiáng)。說明在景洪工程當(dāng)前體型下，突擴(kuò)體長(zhǎng)度偏短，主閥射流對(duì)匯合管的沖擊較強(qiáng)。

圖8 主閥軸線沿程無量綱水力特性分布

2.1.2輔閥單獨(dú)運(yùn)行

輔閥單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，閥門段流場(chǎng)結(jié)構(gòu)見圖9。由圖9可知，由于突擴(kuò)體長(zhǎng)度較短，輔閥射流將直接沖擊突擴(kuò)體迎流面，形成壁面沖擊射流及近壁繞流。水流匯入?yún)R合管時(shí)，在管口附近形成明顯的流速梯度，由于管口兩側(cè)流速梯度較大，于輔閥出流側(cè)形成了穩(wěn)定的渦旋區(qū)?？梢?，輔閥單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，射流在突擴(kuò)體段存在明顯的偏流現(xiàn)象，且偏流強(qiáng)度隨輔閥流量的增加而增強(qiáng)；輔閥偏流斜入?yún)R合管后，在匯合管入口附近將形成穩(wěn)定的渦旋低壓區(qū)，且最低壓力隨輔閥流量的增加不斷降低。

圖9 輔閥單獨(dú)運(yùn)行時(shí)閥門段流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

2.1.3一主一輔聯(lián)合運(yùn)行

圖10 主閥與1臺(tái)輔閥聯(lián)合運(yùn)行時(shí)閥門中軸線沿程水力特性

2.1.4三閥聯(lián)合運(yùn)行

三閥聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，主閥中軸線沿程水力特性的無量綱分布見圖11。由圖11可知，在突擴(kuò)體段(X=0～3.5a)，主閥射流沿程均保持較高流速，各工況基本無差別；壓力沿程分布較為穩(wěn)定；紊動(dòng)能沿程均較小。在匯合管段(X=3.5a～11a)，流量越大，主閥軸線沿程流速下降越快，在X=7a附近達(dá)到穩(wěn)定值；匯合管內(nèi)紊動(dòng)較強(qiáng)?？梢?，三閥聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，閥門段流場(chǎng)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，閥門單獨(dú)運(yùn)行時(shí)存在的突擴(kuò)體段壓力過低與偏流現(xiàn)象均得到了明顯改善。

圖11 三閥聯(lián)合運(yùn)行時(shí)主閥中軸線沿程水力特性

2.2 流場(chǎng)均勻度分析

為定量分析組合閥不同運(yùn)行方式下閥門段流場(chǎng)均勻性的具體差異，用閥門段橫向剖面的3條橫軸線(X=0.5a、2.0a和3.5a)來代表閥門段內(nèi)部流場(chǎng)，以流場(chǎng)內(nèi)最大流速(Uo)和閥門通徑(a)為比尺，對(duì)各運(yùn)行方式下的流速分布進(jìn)行無量綱分析，計(jì)算其均勻度(離散系數(shù))，討論組合閥運(yùn)行方式與流場(chǎng)均勻性的關(guān)系，確定組合閥的最優(yōu)運(yùn)行方式。

其中，流場(chǎng)均勻度由離散系數(shù)Cv來表征：

(4)

(5)

(6)

離散系數(shù)可用于對(duì)比均值不同的數(shù)據(jù)列的離散程度，適用于分析流場(chǎng)的均勻性。離散系數(shù)越小，代表均勻度越好?；诹魉贌o量綱化結(jié)果，可對(duì)每一工況流場(chǎng)特征軸線進(jìn)行均勻度計(jì)算，結(jié)果見表3。

由表3可知，各組合閥運(yùn)行方式下，隨著流量的改變，流場(chǎng)典型軸線的均勻度變化不大，說明流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，具有代表性；而各組合閥運(yùn)行方式下流場(chǎng)均勻度的整體差異性則說明了不同運(yùn)行方式與流場(chǎng)均勻性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。主閥單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，流場(chǎng)典型軸線均勻度變化范圍為0.9～2.3；輔閥單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，流場(chǎng)典型軸線均勻度變化范圍為0.7～2.6；輔閥聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，流場(chǎng)典型軸線均勻度變化范圍為0.3～1.7；主閥與1臺(tái)輔閥聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，流場(chǎng)典型軸線均勻度變化范圍為0.6～1.6；三閥聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，流場(chǎng)典型軸線均勻度變化范圍為0.6～1.1?？梢?，不論是均勻度的變化范圍還是數(shù)值大小，在所有運(yùn)行方式中，三閥聯(lián)合運(yùn)行時(shí)流場(chǎng)的整體均勻性最佳。

表3 組合閥典型運(yùn)行方式下流場(chǎng)特征軸線均勻度統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)語(yǔ)

1)主閥單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，射流在突擴(kuò)體段的流速較高、壓力較低、紊動(dòng)較弱；射流保持較高流速進(jìn)入?yún)R合管后，對(duì)匯合管形成強(qiáng)烈沖擊，流速逐漸降低、壓力逐步回升、紊動(dòng)明顯增強(qiáng)。說明在景洪工程當(dāng)前體型下，突擴(kuò)體長(zhǎng)度偏短，主閥射流對(duì)匯合管的沖擊較強(qiáng)。

2)輔閥單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，射流在突擴(kuò)體段存在明顯的偏流現(xiàn)象，且偏流強(qiáng)度隨輔閥流量的增加而增強(qiáng)；輔閥偏流斜入?yún)R合管后，在匯合管入口附近形成穩(wěn)定的渦旋低壓區(qū)。輔閥聯(lián)動(dòng)時(shí)，閥門段流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性較輔閥單獨(dú)運(yùn)行時(shí)明顯增強(qiáng)。

3)一主一輔聯(lián)動(dòng)時(shí)，閥門段流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與流量比相關(guān)。主輔閥流量比≈3:1，是閥門段流場(chǎng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)；主輔閥流量比>3:1時(shí)，主閥射流將主導(dǎo)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，輔閥流量的改變對(duì)閥門段流場(chǎng)的影響甚微；主輔閥流量比<3:1時(shí)，主輔閥射流間的相互作用明顯增強(qiáng)，閥門段流場(chǎng)穩(wěn)定性將被破壞。

4)三閥聯(lián)動(dòng)時(shí)，兩側(cè)輔閥同時(shí)出流，增強(qiáng)了流場(chǎng)的對(duì)稱性?；诮M合閥不同運(yùn)行方式下的流場(chǎng)典型軸線流速無量綱分布及均勻度分析可知，三閥聯(lián)動(dòng)時(shí)的流場(chǎng)均勻度最好，是組合閥最佳的運(yùn)行方式。