凝凍天氣水閘結(jié)冰過程仿真分析

夏云東，高 靜

（1.貴州省水利投資（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，貴陽 550081；2.常州蘭陵自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213000）

氣溫降至0℃以下，冷鋒云系中的水汽或過冷液滴隨氣流運(yùn)動，與固體碰撞產(chǎn)生雨凇、霧凇，凝附在固體表面凍結(jié)形成覆冰層，稱之為“凝凍”，是廣義冰凍災(zāi)害的一種類型[1]。長時間的凝凍過程會大面積危害農(nóng)田作物，破壞畜牧、林業(yè)生產(chǎn)，嚴(yán)重影響水利、交通、通訊和輸電設(shè)施的正常運(yùn)行。

處于農(nóng)田灌溉水渠中的水閘閘門，受凝凍天氣作用，閘門與門槽容易覆冰凍結(jié)，強(qiáng)行提閘會增加閘門提升設(shè)備負(fù)荷，縮短啟閉電機(jī)、提升機(jī)構(gòu)和機(jī)架混泥土結(jié)構(gòu)的使用壽命。凍結(jié)嚴(yán)重時閘門受覆冰擠壓，容易移位、變形，使閘門無法開啟。為了保障農(nóng)田灌溉水渠閘門在極端天氣下的可靠運(yùn)行，研究凝凍天氣下水閘積冰發(fā)展過程，對合理優(yōu)化閘門化冰防凍設(shè)計方案，維護(hù)設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，充分發(fā)揮水閘的功能是十分必要的。

①研究結(jié)冰預(yù)報模型可以為防冰減害提供科學(xué)的決策依據(jù)，提高災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)效率。科研人員對積冰現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究。牛生杰等[2]綜合氣溫、風(fēng)速、降水率、風(fēng)吹角度及積冰時間的物理環(huán)境參數(shù)，建立了導(dǎo)線積冰模型，在我國三峽、恩施等地霧凇積冰多次模擬中表現(xiàn)優(yōu)良。周悅[3]通過積冰發(fā)生過程中氣象要素、云霧滴和雨滴的微物理變化特征分析，根據(jù)積冰增長公式估算線路積冰率，可以反映出實際積冰厚度的變化。牛生杰[4]等應(yīng)用地表熱平衡方程，在考慮環(huán)境影響因素的基礎(chǔ)上，建立了道路下墊面溫度預(yù)報模型，在冬季高速公路路面結(jié)冰預(yù)報中準(zhǔn)確性較高。宋丹等[5]利用積冰厚度觀測數(shù)據(jù)，通過多元線性回歸建立了電線積冰厚度預(yù)報模型?，F(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型主要針對圓柱導(dǎo)線、路面等簡單結(jié)構(gòu)面，實現(xiàn)總體積冰量預(yù)測，無法了解結(jié)構(gòu)接觸面的冰層分布特征。

計算流體力學(xué)的發(fā)展推動了復(fù)雜表面冰型計算的發(fā)展，計算結(jié)果與風(fēng)洞結(jié)冰試驗得到的結(jié)果一致性良好，已經(jīng)成為表面結(jié)冰形狀特征研究的主要途徑。梁健等[6]利用Fluent 分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)雨凇覆冰的三維數(shù)據(jù)特征。黎芷毓等[7]采用邊界元法和拉格朗日法分析風(fēng)機(jī)葉片流場水滴碰撞過程，通過冰型重構(gòu)建立雨凇覆冰增長模型。FENSAP-ICE是目前應(yīng)用較為廣泛的結(jié)冰預(yù)測軟件?？诐M昭等[8]通過FENSAP-ICE 結(jié)冰軟件對特定翼型進(jìn)行了流動特性、水滴撞擊及冰型生成過程的計算。姜涵等[9]利用FENSAP-ICE 分析機(jī)翼后掠角包冰，仿真結(jié)果與風(fēng)洞實驗大致一致。本文應(yīng)用FENSAP-ICE 軟件對農(nóng)田水渠水閘凝凍天氣條件下的結(jié)冰過程進(jìn)行仿真研究，用于指導(dǎo)防凍方案制定和冰凍監(jiān)測系統(tǒng)研制。

1 結(jié)冰計算方法

1.1 計算流程

凝凍氣象條件下，空氣中的過冷水滴隨風(fēng)相對閘門運(yùn)動，在閘門表面，質(zhì)量和慣性較大的水滴會偏離空氣流線撞擊到閘門表面，屬于典型的流體-顆粒兩相流。FENSAP-ICE采用歐拉法求解水滴撞擊過程，獲得局部水收集系數(shù)，根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒方程計算結(jié)冰增長過程，主要通過3個模塊實現(xiàn)：①Airflow 模塊求解Navier-Stokes 方程實現(xiàn)外流場計算；②Droplet模塊通過干燥空氣的歐拉方程和粘性湍流N-S方程組成的雙流體模型分析水滴的撞擊特性；③Ice accretion模塊利用Messinger模型求解固體表面冰層累積和液體回流。計算流程見圖1。

圖1 計算流程

1.2 模型及邊界條件

采用Solidworks 軟件建立如圖2 所示的水閘三維模型，根據(jù)仿真軟件要求完成模型修型和格式轉(zhuǎn)換。分析水閘積冰特征，重點(diǎn)關(guān)注閘門與門槽連接區(qū)域，頂部提升機(jī)構(gòu)支撐梁與閘門間沒有直接接觸，為簡化模型，流場過流區(qū)域內(nèi)保留了閘門與門槽接觸及其鄰近部分，將頂部衡量及部分門槽去除建立計算區(qū)域。簡化后的模型如圖3 所示，使用ANSYS MESH得到如圖4所示的模型網(wǎng)格。

圖2 水閘裝配模型

圖3 簡化模型及流場區(qū)域

圖4 水閘網(wǎng)格及流場過流方向

由相關(guān)文獻(xiàn)可知凝凍天氣常伴隨多次冷鋒過境，空氣中的含水量較高，據(jù)此假設(shè)橫風(fēng)垂直閘板表面，計算此流場內(nèi)水閘固體交界面冰層累積變化。設(shè)置邊界條件為：空氣流速2 m/s，風(fēng)吹角0°，大氣壓101 325 Pa，液態(tài)含水量（LWC）0.25 g/m3，平均水滴直徑20 μm，環(huán)境溫度為266.15 K。

2 水閘積冰特征仿真實驗分析

首先，由Airflow 模塊進(jìn)行水閘外部流場計算，用Droplet模塊計算液滴撞擊水閘特性，得到迎風(fēng)面水滴收集系數(shù)（見圖5）。從圖5 可以看出，在垂向閘板氣流的作用下，水滴撞擊水閘后向兩側(cè)和下方區(qū)域匯聚，閘門和門槽連接處積水量高于閘門內(nèi)側(cè)。水滴趨向閘門底部匯聚，水滴收集系數(shù)最高接近0.96，高于兩側(cè)豎槽，且水閘上方空置門槽內(nèi)也有水滴匯集。

圖5 水閘迎風(fēng)面水滴收集系數(shù)

仿真400 s時水閘積冰分布見圖6，在閘門與門槽下部連接處形成積冰。冰層厚度分布見圖7，從圖7可以發(fā)現(xiàn)，底部門槽積冰厚度最大接近0.1 mm。因閘門底部液滴收集系數(shù)高于兩側(cè)門槽，水閘底部積冰發(fā)展迅速，兩側(cè)門槽積冰開始生長。

圖6 迎風(fēng)面積冰分布（400 s）

圖7 冰層厚度分布

仿真運(yùn)算2400 s時水閘積冰覆蓋分布見圖8所示。閘門兩側(cè)積冰向上方和內(nèi)側(cè)發(fā)展，覆蓋面積增大，底部冰層最大厚度超過0.5 mm。

圖8 迎風(fēng)面積冰分布（2400 s）

仿真至3600 s時，水閘積冰發(fā)展如圖9所示，在閘板四周形成環(huán)狀積冰。將圖5水滴收集系數(shù)分布與圖6、8、9 對比可知，積冰覆蓋水閘增長趨勢與水滴收集系數(shù)分布一致。

圖9 水閘積冰總體分布（3600 s）

從圖9 可以看到閘門與門槽連接處被積冰覆蓋，頂部空置門槽內(nèi)也有積冰形成，積冰厚度最大值達(dá)到0.8 mm。此時水閘開啟需要破冰提升，電機(jī)啟動的阻力增大。在升閘過程中，閘門上方空槽中的積冰也會阻礙閘門提升移動，使水閘無法正常開啟。

為研究水閘表面積冰增長特性，以冰層累積400 s時為起始，間隔200 s觀察冰層覆蓋特征，并記錄閘門冰層最大厚度（見圖10）。從圖10可以看出冰層厚度最大值隨時間不斷增加，這是氣流帶動液滴持續(xù)作用的結(jié)果，因此多次冷鋒過境，大氣中的過冷水持續(xù)撞擊閘門表面，會使水閘冰凍危害加劇。由于仿真計算中將空氣液態(tài)含水量設(shè)為常數(shù)，使得冰層最大厚度值以線性特征變化。實際環(huán)境的空氣含水量不會保持恒定，冰層厚度變化的規(guī)律會有不同。

圖10 積冰厚度發(fā)展趨勢

3 結(jié)論

本文介紹了凝凍天氣對水閘正常運(yùn)行可能帶來的影響。在分析已有積冰研究的基礎(chǔ)上，提出采用FENSAP-ICE 軟件分析在凝凍天氣下水閘表面積冰覆蓋特征，得到以下結(jié)論。

（1）水閘表面水滴收集系數(shù)分布與積冰覆蓋區(qū)域一致。水滴收集系數(shù)高的區(qū)域積冰發(fā)展迅速。閘門與門槽連接處容易匯聚液滴，在仿真初期形成積冰，冰層厚度隨時間增加而增厚。

（2）水閘積冰從閘門底部沿兩側(cè)門槽向上生長，在閘門頂部匯合形成環(huán)狀覆冰，隨后向閘門中心發(fā)展。受冷鋒氣流作用，閘門上方空置門槽中也會形成積冰。仿真研究表明積冰增長區(qū)域與閘門提升結(jié)構(gòu)重疊，長時間凝凍天氣會嚴(yán)重影響水閘的正常運(yùn)行。

（3）水閘防冰應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注閘門底部與門槽連接處，在閘門四周安置必要的化冰和監(jiān)控設(shè)備，及時處置早期積冰。水閘頂部和門槽應(yīng)安裝擋風(fēng)板，避免過冷水滴隨風(fēng)附著在門槽內(nèi)部。