閘門(mén)反向擋水時(shí)封閉梁格方案對(duì)啟門(mén)力降低效果的研究

倪 春， 黃先北， 仇寶云， 孫 濤， 于賢磊

(1.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司， 江蘇 南京 210029； 2.揚(yáng)州大學(xué) 電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225127)

平面鋼閘門(mén)是水利工程中常用的閘門(mén)形式。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來(lái)越多的閘門(mén)需滿(mǎn)足雙向擋水要求[1-2]?，F(xiàn)有雙向擋水閘門(mén)主要關(guān)注雙向密封問(wèn)題，大部分仍使用單面板形式。然而，單面板形式的閘門(mén)在正向擋水時(shí)，面板朝向上游側(cè)，與普通單向閘門(mén)工作方式一致；而當(dāng)反向擋水時(shí)，閘門(mén)的梁系結(jié)構(gòu)朝向上游側(cè)，由于水流的沖擊作用，往往易導(dǎo)致啟門(mén)力過(guò)大，可能出現(xiàn)啟閉機(jī)系統(tǒng)失壓及啟門(mén)力超過(guò)設(shè)計(jì)值的問(wèn)題。由此可見(jiàn)，閘門(mén)反向擋水時(shí)，受力更加復(fù)雜且明顯增大，單面板閘門(mén)無(wú)法滿(mǎn)足雙向擋水需求。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)廣泛應(yīng)用于工程中的流動(dòng)分析[3-5]。本文以節(jié)制閘為研究對(duì)象，針對(duì)垂直提升式平面鋼閘反向擋水時(shí)啟門(mén)力在一定開(kāi)高時(shí)增大的情況，采用CFD方法模擬閘門(mén)附近壓力場(chǎng)，分析啟門(mén)力增大的原因，并研究封閉閘門(mén)梁格方案對(duì)降低啟門(mén)力是否有效。

1 水閘參數(shù)與過(guò)流流動(dòng)數(shù)值計(jì)算方法

1.1 水閘結(jié)構(gòu)參數(shù)

以閘站樞紐節(jié)制閘采用垂直提升式液壓平板鋼閘門(mén)進(jìn)行研究，水閘與底板相關(guān)參數(shù)為：閘門(mén)高度4.5 m，閘前平直段長(zhǎng)18 m，閘后2.9 m為斜坡，坡角38°，坡長(zhǎng)7 m。為保證數(shù)值計(jì)算中流動(dòng)充分發(fā)展，閘前延長(zhǎng)至距離閘門(mén)30 m，閘后延長(zhǎng)至距離閘門(mén)20 m處。

考慮到流動(dòng)沿水閘寬度方向的中心線為對(duì)稱(chēng)分布，取閘門(mén)的一半進(jìn)行CFD分析研究，見(jiàn)圖1。

圖1 閘門(mén)原方案的三維模型

1.2 數(shù)值模擬邊界條件

本文采用雷諾時(shí)均N-S方法求解湍流場(chǎng)，選擇常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[6-7]。過(guò)閘流動(dòng)是典型的水氣兩相流，本文采用均相流模型[7-8]。

計(jì)算域以及相應(yīng)的邊界條件如圖2所示，采用邊界條件如下：(1)水域進(jìn)口，流量進(jìn)口條件，水的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為1，空氣體積分?jǐn)?shù)為0；(2)水域出口，流量出口條件；(3)面板寬度方向的中線所在面，對(duì)稱(chēng)邊界；(4)空氣域上表面，Opening邊界(開(kāi)敞邊界)，壓力設(shè)置為0，且水的體積分?jǐn)?shù)為0，空氣體積分?jǐn)?shù)為1；(5)空氣域與水域之間交界面，Gerneral Connection。未標(biāo)注的邊界均使用無(wú)滑移固壁條件。

圖2 閘門(mén)反向擋水時(shí)計(jì)算域網(wǎng)格與邊界條件設(shè)置(H=1.65 m)

1.3 閘門(mén)啟門(mén)力計(jì)算

啟門(mén)時(shí)閘門(mén)時(shí)受重力G、水流垂直作用力Fy、水流水平作用力Fx、摩擦力Fm、門(mén)槽對(duì)閘門(mén)滾輪的水平反力Fw、啟門(mén)力Ft的共同作用。

(1)重力

為閘門(mén)(包括滾輪)重力以及液壓缸活塞桿的自重：

G=G閘+G桿

(1)

根據(jù)閘門(mén)設(shè)計(jì)參數(shù)，G=1.862×105N。

(2)水流作用力

閘門(mén)所受Fx與Fy可根據(jù)CFD結(jié)果計(jì)算獲得。

(3)摩擦力

摩擦力一方面是門(mén)側(cè)止水橡皮與門(mén)槽的摩擦力：

Fmp=γ1Fx1

(2)

式中，F(xiàn)x1為水流水平作用力Fx作用在側(cè)止水橡皮上的力，根據(jù)設(shè)計(jì)資料為2 200 N；γ1為橡皮與門(mén)槽摩擦系數(shù)，門(mén)槽為鋼，系數(shù)取為0.5。

另一方面是啟門(mén)時(shí)在滾輪的軸承處形成，寫(xiě)為

Fml=γ2(Fx-Fx1)

(3)

式中，γ2為摩擦系數(shù)，本例采用的為滑動(dòng)軸承，摩擦系數(shù)取為0.05。

(4)啟門(mén)力

根據(jù)受力分析可知，啟門(mén)力為

Ft=G+Fy+Fm=G+Fy+Fml+Fmp

(4)

2 CFD啟門(mén)力計(jì)算驗(yàn)證

由CFD計(jì)算結(jié)果獲得閘門(mén)所受Fx與Fy，并根據(jù)1.3章節(jié)受力分析計(jì)算閘門(mén)啟門(mén)力，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

圖3 計(jì)算與實(shí)測(cè)啟門(mén)力對(duì)比

顯然，從啟門(mén)力的變化來(lái)看，CFD與實(shí)測(cè)結(jié)果一致，均為先增大后減小，隨后再增大最后減小的規(guī)律，其中開(kāi)高1.65 m與2.05 m時(shí)啟門(mén)力高于其余情況。CFD與試驗(yàn)值的偏差最大為5.5%，說(shuō)明本文采用的計(jì)算方法是可靠的。

3 啟門(mén)力降低方案

閘門(mén)提升過(guò)程中，底部主梁下方流速較高，從而在下表面易形成負(fù)壓，產(chǎn)生下吸力。此外，反向擋水時(shí)由于梁系結(jié)構(gòu)朝向上游，水流將沖擊底部主梁，從而在主梁上表面形成高壓，進(jìn)一步增大啟門(mén)力。由此可見(jiàn)，主梁上下表面的壓力差是導(dǎo)致啟門(mén)力增大的關(guān)鍵。為分析壓力差對(duì)啟門(mén)力的影響，取主梁上下表面的平均壓力差，該壓力差乘以主梁面積即為壓差作用下形成的垂直方向作用力。圖4所示為壓力差形成的垂直作用力以及水流總的垂直作用力隨閘門(mén)開(kāi)高的變化，壓差形成的垂直作用力占水流總作用力的85%～97%，且變化規(guī)律保持一致。

圖4 壓差形成的垂直作用力與水流總的垂直作用力隨開(kāi)高的變化

因此，若封閉部分或全部梁格，則有望大幅降低水流沖擊導(dǎo)致的壓力差，從而降低啟門(mén)力。為此，本文提出2種方案：(1)封閉下部梁格(見(jiàn)圖5)，即封閉底部主梁至第二主梁(中間)之間的梁格；(2)封閉全部梁格，即封閉底部主梁至第一主梁(上主梁)之間的全部梁格。對(duì)于本文所研究閘門(mén)，寬度10.12 m，面板厚度10 mm，下部相鄰兩排工字鋼垂直距離約為1.5 m。因此，方案(1)需增加的鋼材總量為1 192 kg，重量1.17×104N，方案(2)需增加的鋼材總量為2 384 kg，重量2.34×104N。

圖5 封閉下部梁格方案(方案1)

根據(jù)上文分析，最大啟門(mén)力發(fā)生在閘門(mén)開(kāi)高1.65 m時(shí)，因此，基于該開(kāi)高進(jìn)行CFD計(jì)算。對(duì)于方案(1)，由于下部梁格被封閉，水流在中間主梁上方存在壅高，部分空氣從排水孔進(jìn)入閘門(mén)下部水腔，導(dǎo)致中間主梁與底部主梁之間存在明顯水氣混合情況，閘門(mén)內(nèi)平均水面應(yīng)在中間主梁與底部主梁中間，距中間主梁0.8 m處；對(duì)于方案(2)，由于梁格全部封閉，第二主梁上方不形成壅高，且門(mén)體內(nèi)水從排水孔排出，遠(yuǎn)低于上游水位。

實(shí)際啟門(mén)時(shí)由于閘門(mén)勻速上升時(shí)梁格內(nèi)水體因重力作用通過(guò)橫梁排水孔下泄流動(dòng)引起的阻力。因此，需計(jì)算密封梁格內(nèi)水體通過(guò)下方橫梁排水孔排出時(shí)的阻力——即排水對(duì)橫梁向下的沖擊力對(duì)啟門(mén)力的影響，該影響表現(xiàn)為排水阻力引起的密封梁格內(nèi)水面的升高值。根據(jù)孔口流動(dòng)計(jì)算公式：

(5)

則通過(guò)孔口的壓差為

(6)

式中，Cd為流量系數(shù)取為0.5456，AT=0.0325 m2為孔的面積，ρ為水的密度，q=0.03705 m3/s為通過(guò)排水孔的流量。據(jù)此可算得水頭損失為0.22 m，對(duì)應(yīng)的水體重量FG=2.13×104N。

不同方案下的啟門(mén)力如表1所示(H=1.65 m)。

表1閘門(mén)不同方案下的啟門(mén)力對(duì)比

單位：104 N

由表1可見(jiàn)，原方案水流產(chǎn)生的垂直作用力約占啟門(mén)力的39%，而對(duì)于方案(1)，下部梁格的封閉使水流垂直作用力下降約65%，方案(2)則下降約85%。2種方案的水流垂直作用力下降比例不同的原因在于，方案(1)盡管阻止了水流對(duì)底部主梁的沖擊，但對(duì)中部主梁的壅高產(chǎn)生了額外的垂直作用力；方案(2)封閉了全部梁格，基本消除了水流沖擊作用，因此水流垂直作用力主要為下吸力引起。

對(duì)比不同方案下的啟門(mén)力可知，方案(1)相比原方案降低了約15.5%，方案(2)相比原方案降低約19.5%。由此可見(jiàn)，封閉梁格方案可有效降低啟門(mén)力，且封閉全部梁格方案效果更好。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)垂直提升式平面鋼閘門(mén)反向擋水時(shí)啟門(mén)力增大的問(wèn)題，采用CFD方法模擬閘孔過(guò)流流動(dòng)，提出封閉梁格方案，并分析了不同方案下的啟門(mén)力，得到如下主要結(jié)論：

(1)閘門(mén)底部主梁上下表面壓差形成的垂直作用力占水流總垂直作用力的85%～97%，且其變化規(guī)律與啟門(mén)力的變化規(guī)律一致，開(kāi)高1.65 m時(shí)達(dá)到最大。

(2)封閉下部梁格與封閉全部梁格均可有效降低啟門(mén)力，原因在于避免了水流對(duì)底部主梁的沖擊，降低了水流的垂直作用力。