閘站合建樞紐對(duì)渠道水流流態(tài)影響的數(shù)值模擬研究

周 迎，肖 瑜，張書花

（1.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院,山東 濟(jì)南 250013；2.濟(jì)南市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,山東 濟(jì)南 250000）

1 前言

隨著我國(guó)工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展,當(dāng)前很多灌區(qū)的渠道亟需更新改造來(lái)滿足灌溉排水需求,比如對(duì)渠道進(jìn)行襯砌處理、斷面優(yōu)化或者修建節(jié)制閘及泵站等措施。在渠道上分別布置閘門和泵站[1],經(jīng)過(guò)多年的實(shí)際工程驗(yàn)證,一般能保證渠道內(nèi)進(jìn)水條件良好、水流平順。但閘站分建布置占用土地的面積較大,其產(chǎn)生的社會(huì)問(wèn)題包括拆遷、征地、安置移民等問(wèn)題需要解決[2]；此外有時(shí)需要另外開挖引河,其工程投資將大大增加。為了減少閘站分別布置引發(fā)的一系列社會(huì)問(wèn)題,現(xiàn)在普遍采用閘站合建樞紐的方式。由于閘站合建樞紐設(shè)置在渠道的同一斷面上,水流通過(guò)樞紐時(shí),水閘和泵站各自單獨(dú)運(yùn)行,過(guò)水?dāng)嗝嫱豢s和突擴(kuò),上下游水流很容易出現(xiàn)偏流、回流和橫向水流等不良流態(tài),也會(huì)出現(xiàn)旋渦,以上這些不良流態(tài)會(huì)對(duì)渠道內(nèi)的水流產(chǎn)生不利影響,造成渠道沖刷和泥沙淤積等問(wèn)題,對(duì)渠道的安全運(yùn)行有很嚴(yán)重的影響[3-4]。

近年來(lái),計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使得數(shù)值模擬在水利工程的應(yīng)用越來(lái)越多,與物理模型驗(yàn)證相比其耗費(fèi)時(shí)間和資金需求較少,變更方案和工況參數(shù)方便,而且不受試驗(yàn)條件、測(cè)量精度等客觀條件的限制,并且在邊界條件界定、模型構(gòu)建和求解方法的選擇均正確的基礎(chǔ)上其計(jì)算結(jié)果符合物理實(shí)際規(guī)律[5-6]。本文借助商用軟件ANSYS Fluent對(duì)某閘站合建樞紐的水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬,揭示不同流量和樞紐體型對(duì)渠道中水流的影響規(guī)律。

2 模型的建立與網(wǎng)格劃分

2.1 模型建立

選取某閘站合建樞紐為研究對(duì)象,節(jié)制閘底板檻頂高程定為-0.50 m。啟閉機(jī)工作橋布置在閘首中部,寬4.5 m,長(zhǎng)16 m,平臺(tái)高程13.0 m,啟閉機(jī)室樓梯間布置在節(jié)制閘東岸。泵站為雙向泵站,功能為排澇及從攔路港引水進(jìn)行水資源調(diào)度。泵型為豎井式貫流泵,單泵流量10 m3/s,設(shè)計(jì)流量40 m3/s。水泵安裝高程-1.15 m。泵站垂直水流方向總寬27.6 m,順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)29.0 m。采用GAMBIT進(jìn)行建模,以閘門寬度為18 m為例,其模型見圖1。

圖1 閘站合建樞紐及渠道三維計(jì)算模型

2.2 網(wǎng)格剖分

在CFD進(jìn)行求解時(shí),對(duì)模型劃分的網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算是否準(zhǔn)確密切相關(guān)。網(wǎng)格單元數(shù)較多時(shí),計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性能得到保證,但是計(jì)算量大,計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)；網(wǎng)格單元數(shù)較少時(shí),計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。此外網(wǎng)格的類型包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格計(jì)算精度較高但劃分難度大,而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格幾何適應(yīng)性較好,網(wǎng)格劃分簡(jiǎn)便,但計(jì)算精度較結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有所降低。因此,在計(jì)算時(shí)應(yīng)合理的選擇網(wǎng)格的大小和類型?？紤]閘站合建樞紐構(gòu)造的復(fù)雜性較大,本文借助GAMBIT軟件對(duì)閘站合建樞紐模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,在關(guān)鍵過(guò)流區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密,經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析確定網(wǎng)格單元數(shù)為300萬(wàn)。 圖2為計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格剖分示意圖。

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格示意圖

3 流態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于閘站合建工程,水閘和泵站一般都是各自運(yùn)行,當(dāng)水閘運(yùn)行進(jìn)行引水排澇工作時(shí),由于水閘布置在渠岸的一側(cè),過(guò)水?dāng)嗝婷娣e減小,上游水流在泵站前逐漸收縮并向閘門側(cè)集中,水流被擠壓,原本順直的水流流向出現(xiàn)彎曲；水流出閘后,右側(cè)渠道突擴(kuò),在渠道的右側(cè)很容易形成回流區(qū),而且回流區(qū)的范圍較大,嚴(yán)重的最大寬度甚至能占到渠道寬度的一半,回流區(qū)在泵站側(cè),很容易造成泥沙沉積在泵站前,對(duì)泵站的運(yùn)行造成不利的影響。當(dāng)水流的流量、閘門的寬度發(fā)生變化時(shí),閘門對(duì)渠道水流的影響也會(huì)發(fā)生變化,引入動(dòng)能修正系數(shù) k 來(lái)研究相同水位條件下流量和閘門寬度變化對(duì)渠道水流的影響。

式中：vm為某一斷面水流的最大速度；v為這一斷面水流的平均速度；ε 為斷面的流速不均勻系數(shù)。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 流量變化對(duì)閘下渠道水流的影響

為分析不同流量變化對(duì)閘后水流的影響,在運(yùn)行水位為3 m,閘門開度全開條件下,取不同的流量值進(jìn)行分析,其流量分別取30 m3/s,50 m3/s,70 m3/s,90 m3/s,110 m3/s。為方便分析,將流量通過(guò)Q/bh2.5g0.5進(jìn)行無(wú)量綱轉(zhuǎn)化為3.69×10-2,6.15×10-2,8.60×10-2,0.110,0.135。通過(guò)對(duì)每個(gè)流量下樞紐閘后的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算,采取直接觀測(cè)流速分布圖進(jìn)行比對(duì)和分析動(dòng)能修正系數(shù)變化兩者相結(jié)合的方法研究不同流量對(duì)流態(tài)的影響。

圖3～圖7分別為流量無(wú)量綱數(shù)取3.69×10-2,6.15×10-2,8.60×10-2,0.110,0.135的流速分布圖。從圖3中可以看出,水流通過(guò)閘門流出后,左側(cè)水流沿翼墻擴(kuò)散較均勻平順,右側(cè)水流通過(guò)導(dǎo)流墻后,由于渠道突擴(kuò),在泵站前形成了一個(gè)將近占據(jù)渠道一半寬度的回流區(qū),并蔓延至閘后100 m處。水流集中分布于閘門側(cè)的流道,且流速較大,在閘后60 m閘門側(cè)的渠道邊坡處開始出現(xiàn)主流脫壁現(xiàn)象,并逐漸形成明顯的回流區(qū),而且回流區(qū)范圍較大,主要位于閘后60 m～100 m處。閘后120 m處水流在流道中的分布逐漸均勻。

圖3 流量無(wú)量綱數(shù)為3.69×10-2的流速分布圖

從圖4 中可以看出,在流量增加至50 m3/s時(shí),整個(gè)渠道內(nèi)的流速加大,渠道左側(cè)岸坡處出現(xiàn)的水流脫壁現(xiàn)象加劇,水流被擠壓至渠道中部,過(guò)水?dāng)嗝婷娣e減??；泵站側(cè)形成的漩渦區(qū)由于流速的增加被拉長(zhǎng)至閘后120 m處,漩渦寬度的增加造成過(guò)水?dāng)嗝娴臏p小,水流直到閘后150 m處才開始趨于平順。

圖4 流量無(wú)量綱數(shù)為6.15×10-2的流速分布圖

從圖5中可以看出,在流量增加至70 m3/s時(shí),整個(gè)渠道內(nèi)的流速繼續(xù)加大,與圖4 對(duì)比,渠道左側(cè)岸坡處出現(xiàn)的脫壁現(xiàn)象減弱,泵站側(cè)形成的回流區(qū)的蔓延長(zhǎng)度從閘后130 m縮短至閘后100 m。水流到達(dá)閘后110 m后逐漸平順均勻,相比流量為50 m3/s的工況提前了近40 m。圖6 和圖7 與圖5 呈現(xiàn)的規(guī)律相同,隨著流量的繼續(xù)增加,渠道內(nèi)的流速加大,但是渠道左側(cè)岸坡處出現(xiàn)的脫壁現(xiàn)象和泵站側(cè)形成的回流區(qū)逐漸減小。

圖5 流量無(wú)量綱數(shù)為8.60×10-2的流速分布圖

圖7 流量無(wú)量綱數(shù)為0.135的流速分布圖

由以上5種流量的流速分布圖可以看出,隨著流量的增加,渠道左側(cè)岸坡處出現(xiàn)的脫壁現(xiàn)象和泵站前形成的回流區(qū)均加劇,閘后不良流態(tài)的存在距離也會(huì)延長(zhǎng),但是隨著流量繼續(xù)增加,由于水流的沖擊作用,渠道左側(cè)岸坡處出現(xiàn)的脫壁和泵站前形成的回流現(xiàn)象反而逐漸減弱,渠道內(nèi)水流的不良流態(tài)的影響長(zhǎng)度也逐漸縮短,當(dāng)流量無(wú)量綱數(shù)取值6.15×10-2時(shí)閘下出流流態(tài)最差,閘后渠道內(nèi)形成的回流區(qū)范圍最大,不良流態(tài)對(duì)渠道的影響長(zhǎng)度最長(zhǎng)。

為充分研究不同斷面的動(dòng)能變化,在閘后50 m～290 m之間每間隔10m取一個(gè)特征斷面,合計(jì)25個(gè)特征斷面計(jì)算斷面ak值。將不同流量下不同斷面的ak值繪成折線圖,見圖8。從圖中可以看出,改變流量雖然增大了渠道內(nèi)的流速,但對(duì)渠道內(nèi)動(dòng)能的影響并不是很大,換言之流量的改變對(duì)閘后水流流速分布均勻性的影響不大；在不同的流量下,閘后170 m處的斷面上動(dòng)能均趨于平緩,可以認(rèn)為閘后水流的不良流態(tài)主要位于閘后3.4 倍的渠道寬度以內(nèi)。

圖8 不同流量不同特征斷面的動(dòng)能變化圖

4.2 水閘寬度對(duì)閘下渠道水流的影響

為分析不同閘寬變化對(duì)閘后水流的影響,在運(yùn)行水位為3 m、流量50 m3/s且閘門開度全開條件下,保持渠道總寬度不變,取不同閘寬進(jìn)行分析,并將閘寬轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱數(shù),具體形式為閘寬比上渠道總寬度,閘寬無(wú)量綱數(shù)選擇0.4、0.5、0.6。通過(guò)對(duì)每個(gè)閘寬下樞紐閘后的流態(tài)進(jìn)行計(jì)算,采取直接觀測(cè)流速分布圖進(jìn)行比對(duì)和分析動(dòng)能修正系數(shù)變化兩者相結(jié)合的方法研究不同流量對(duì)流態(tài)的影響。

圖9～圖11 分別為閘寬無(wú)量綱數(shù)取0.4、0.5和0.6的流速分布圖。從圖中可以看出,隨著閘寬的逐漸增加,泵站側(cè)形成回流區(qū)長(zhǎng)度和寬度均隨之減小,同時(shí)渠道左側(cè)邊坡處的水流脫壁現(xiàn)象逐漸改善,閘后水流恢復(fù)平順均勻的距離也隨之縮短。總之,隨著水閘寬度無(wú)量綱數(shù)的增加,渠道中流態(tài)均勻性逐漸改善。

圖9 閘寬無(wú)量綱數(shù)為0.4的流速分布圖

圖10 閘寬無(wú)量綱數(shù)為0.5的流速分布

圖11 閘寬無(wú)量綱數(shù)為0.6的流速分布圖

為揭示不同閘寬比條件下不同特征斷面的動(dòng)能的變化情況,同樣在閘后50 m～290 m之間每間隔10m取一個(gè)特征斷面,合計(jì)25個(gè)特征斷面計(jì)算斷面ak值,并將其繪制成折線圖,見圖12。從圖中可以看出,隨著閘寬的增加,ak不斷減小,說(shuō)明隨著閘寬的增加,閘門對(duì)渠道中水流流態(tài)的影響逐漸減小。

圖12 不同閘寬比條件下不同特征斷面的動(dòng)能變化圖

5 結(jié)論

基于N-S方程和湍流模型對(duì)布置有閘站合建樞紐的渠道建立了三維數(shù)學(xué)模型,通過(guò)CFD數(shù)值模擬軟件分別計(jì)算流量變化和樞紐體型改變對(duì)渠道水流的影響。隨流量的增加,渠道左側(cè)岸坡出現(xiàn)的水流脫壁現(xiàn)象均呈現(xiàn)先加劇后減弱的變化趨勢(shì),水流對(duì)回流區(qū)的沖擊作用使得回流區(qū)范圍的減?。浑S著水閘寬度的增加,水閘單獨(dú)運(yùn)行時(shí)對(duì)閘下渠道水流的影響減弱,但是不能盲目的增大閘寬值,應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程情況而定。