不同底緣形式的平板閘門水力特性數(shù)值模擬

劉 昉,趙夢(mèng)麗,冷東升,邢仕強(qiáng)

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

不同底緣形式的平板閘門水力特性數(shù)值模擬

劉 昉,趙夢(mèng)麗,冷東升,邢仕強(qiáng)

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

為優(yōu)化閘門體型,探究不同底緣形式下閘門的水力學(xué)特性,采用RNGk-ε模型和VOF方法,結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù),對(duì)高水頭平板閘門閉門過(guò)程中水力學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。采用模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值方法的可靠性;利用非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程處理技術(shù)(EMD),有效地提取底緣壓力趨勢(shì)項(xiàng),進(jìn)而開(kāi)展底緣形式與水流脈動(dòng)、持住力相關(guān)關(guān)系的探討;通過(guò)綜合考量底緣壓力脈動(dòng)、空化及持住力特性,尋求最佳底緣體型。結(jié)果表明, 閘門底緣形式的改變對(duì)啟閉力影響顯著,前傾角底緣形式啟閉力最小,底緣壓力脈動(dòng)較小,最不易出現(xiàn)空蝕破壞。

平板閘門;動(dòng)水閉門;數(shù)值模擬;水動(dòng)力特性;底緣形式;經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解

平板事故閘門因其動(dòng)水關(guān)閉過(guò)程中的水動(dòng)力特性非常復(fù)雜,一直是閘門設(shè)計(jì)及研究的重點(diǎn)和難點(diǎn),尤其是閘門啟閉力特性[1-3]和閘區(qū)空化特性成為學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)。高速水流下的閉門過(guò)程流態(tài)不同于閘門全開(kāi)或局開(kāi)工況,為強(qiáng)烈的水氣兩相紊流流動(dòng),閘后水流由滿流過(guò)渡到明流,若底緣體形設(shè)計(jì)不合理,將會(huì)造成閘下水流流態(tài)不佳,門體形成負(fù)壓,底緣因水流分離而導(dǎo)致的壓力波動(dòng)亦會(huì)誘發(fā)閘門振動(dòng),給閘門體系帶來(lái)安全隱患。

閘門底緣傾角的朝向、角度均是影響啟閉力的關(guān)鍵因素。早期研究人員主要采用模型試驗(yàn)方法探究閘門底緣形式與啟閉力的相關(guān)關(guān)系,通過(guò)直接改換閘底體型,測(cè)試連接在閘門及啟閉機(jī)之間鋼絲繩的受力,反推閘門的啟閉力,方法簡(jiǎn)單易于操作,卻存在縮尺效應(yīng),且實(shí)測(cè)物理量有限,無(wú)法直接反映作用在閘門底緣處的上托力或下吸力的大小,不利于閘門受力機(jī)理的研究。隨著數(shù)值方法的成熟及軟件的完善,李利榮等[4]曾利用數(shù)值計(jì)算方法,模擬分析水力自動(dòng)滾筒閘門表面的動(dòng)水壓力、流速分布等水動(dòng)力特性;張冬等[5]通過(guò)ADINA軟件對(duì)平面閘門不同開(kāi)度下啟閉力的變化特征進(jìn)行研究;章晉雄等[6]采用RNGk-ε模型和水-氣兩相VOF模型,分析比較不同上游底緣傾角對(duì)上托力的影響。前人的閘底體型數(shù)值工作大多集中于傾角角度的研究,且綜合考量底緣傾角、朝向?qū)﹂]門力及底緣脈動(dòng)和空化特性影響的相關(guān)報(bào)道鮮少。鑒于此,本文以某泄洪洞內(nèi)事故平板閘門為研究對(duì)象,采用RNGk-ε模型和VOF方法對(duì)閘門靜態(tài)持住力進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,并在考慮底緣脈動(dòng)和空化特性基礎(chǔ)上,開(kāi)展底緣傾角、朝向與閘門閉門力相關(guān)關(guān)系的探討,尋求最優(yōu)的底緣形式,以期為高水頭事故閘門設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 模型建立

1.1 模型方程和數(shù)值方法

N-S方程采用有限體積法進(jìn)行離散,壓力速度的耦合求解選用PISO算法[7]。紊流模型選取考慮各向異性效應(yīng)的RNGk-ε模型,該方法在處理流線彎曲及瞬態(tài)問(wèn)題方面較標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型更具優(yōu)越性。

閘井內(nèi)水氣兩相交界面的追蹤可利用VOF法[8]實(shí)現(xiàn),VOF法通過(guò)建立和求解計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)流體體積函數(shù)αw的輸運(yùn)擴(kuò)散方程來(lái)捕捉自由表面。當(dāng)?shù)趙相流體體積函數(shù)αw=1則單元體內(nèi)充滿流體,反之αw=0則單元內(nèi)無(wú)該相流體,αw=0～1之間表明單元體積內(nèi)半充滿流體,即此單元為自由表面單元。

第w相流體體積函數(shù)輸運(yùn)擴(kuò)散方程:

(1)

式中:αw為第w相流體體積函數(shù);xi為i方向流體位移;ui為i方向流體速度。

水氣兩相流中,單元體內(nèi)密度ρ和速度u可表示為

(2)

(3)

式中:ρw為水的密度;ρa(bǔ)為氣的密度;uw為水的速度;ua為氣的速度。

VOF法簡(jiǎn)便易行且無(wú)須占用大量?jī)?nèi)存和CPU。在模型建立時(shí),為預(yù)防庫(kù)區(qū)水流波動(dòng)溢出,所建庫(kù)高超出水面1/3。

1.2 邊界條件和初始條件

本文依托于某水利工程,其右岸設(shè)有長(zhǎng)759.7 m的泄洪放空洞,采用有壓洞接無(wú)壓洞布置型式。在距進(jìn)水口約94 m的下游設(shè)置1扇平板事故閘門,孔口寬6.0 m、高12.0 m,設(shè)計(jì)水頭100 m。閘門下游84 m處布置1扇弧形工作閘門,孔口寬7.0 m、高6.5 m;事故閘門上游面板止水,底緣采用下游傾角30°的布置型式,并在門槽下游預(yù)留缺口進(jìn)行補(bǔ)氣。

計(jì)算模型總長(zhǎng)259 m,上游水庫(kù)長(zhǎng)度為5倍的進(jìn)口高度,下游模擬至弧形閘門出口。水庫(kù)進(jìn)口通過(guò)自編程序UDF,設(shè)置為靜壓分布?jí)毫θ肟谶吔?庫(kù)頂及閘井頂部定義為空氣入口邊界條件,弧門出口給定1個(gè)大氣壓力出口邊界條件,并以平板閘門全開(kāi)時(shí)恒定泄流流場(chǎng)作為閉門瞬態(tài)問(wèn)題的初始條件。邊界條件設(shè)置如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型邊界條件設(shè)置

1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分優(yōu)劣直接關(guān)系計(jì)算的收斂性、準(zhǔn)確性,為提高網(wǎng)格質(zhì)量,整個(gè)計(jì)算區(qū)域以六面體網(wǎng)格為主,復(fù)雜漸變區(qū)采用四面體網(wǎng)格形式,并對(duì)計(jì)算關(guān)注區(qū)——事故門槽附近進(jìn)行局部網(wǎng)格加密,總網(wǎng)格數(shù)共計(jì)124萬(wàn)個(gè)。

考慮到閘門閉門為單向運(yùn)動(dòng),可結(jié)合“域動(dòng)網(wǎng)格”更新技術(shù)和動(dòng)態(tài)分層方法[9]進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格劃分。動(dòng)態(tài)分層法即在閘門運(yùn)動(dòng)邊界相鄰處根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律動(dòng)態(tài)增加或減少網(wǎng)格層數(shù),適用于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)姆謱雍涂s減系數(shù),更新后的網(wǎng)格依然為均勻結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,因此對(duì)計(jì)算精度影響較小。“域動(dòng)網(wǎng)格”則是設(shè)置一個(gè)包含閘門運(yùn)動(dòng)邊界的內(nèi)部計(jì)算域,該計(jì)算域與外部靜態(tài)計(jì)算域分界面定義為變形邊界,閘門上下界面給定剛體運(yùn)動(dòng)邊界,這樣即可通過(guò)內(nèi)部計(jì)算域的整體運(yùn)動(dòng)模擬域內(nèi)閘門的運(yùn)動(dòng)(圖2)。上述兩種方法的結(jié)合有效避免閘門區(qū)網(wǎng)格更新后的畸變,從而保證網(wǎng)格質(zhì)量,提高計(jì)算精度。

圖2 “域動(dòng)網(wǎng)格”界面設(shè)置示意圖

2 模型驗(yàn)證

潛孔式平面鋼閘門持住力FT的計(jì)算根據(jù)SL 74—2013《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》確定:

(4)

選取上游水頭100 m、工作門相對(duì)開(kāi)度0.92(工況1)及上游水頭85 m、工作門相對(duì)開(kāi)度0.46(工況2)兩種工況為計(jì)算工況，通過(guò)數(shù)值計(jì)算求得不同事故閘門相對(duì)開(kāi)度狀態(tài)下的靜態(tài)持住力(圖3),并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。因數(shù)值方法模擬摩擦力困難,且不同底緣形式摩阻特性一致,摩擦力對(duì)底緣選型無(wú)影響,故未做考慮。因此持住力的計(jì)算值整體高于試驗(yàn)值,且差值隨事故門相對(duì)開(kāi)度的增加而增大。由表1可知,工況1和工況2的事故閘門靜態(tài)持住力最大計(jì)算誤差分別為5.8%和7.0%,對(duì)應(yīng)事故相對(duì)開(kāi)度分別為0.62和0.33,其他開(kāi)度均低于6.0%,滿足計(jì)算精度要求,驗(yàn)證了計(jì)算模型的可靠性。

圖3 閘門靜態(tài)持住力驗(yàn)證

表1 2種工況下靜態(tài)持住力最大計(jì)算誤差

3 不同底緣形式的水力特性

對(duì)于高水頭事故閘門,形成閘門持住力的主要因素為水流的下曳力(或上托力)。底緣形式的變化將改變閘下水流形態(tài),影響底緣壓力分布情況,進(jìn)而轉(zhuǎn)變閘底的受力。本文對(duì)平底底緣、后傾角30°(原體型)、后傾角45°、前傾角45°及前傾角45°后傾角30°(圖4)這5個(gè)體型進(jìn)行對(duì)比研究,分析工況1下閘門底緣壓力脈動(dòng)特性、時(shí)域變化情況,研究其空化特性,并對(duì)底緣選型進(jìn)行初步探討。

圖4 平板閘門底緣選型

3.1 底緣壓力脈動(dòng)特性

事故閘門在連續(xù)閉門過(guò)程中,閘門底緣的平均壓強(qiáng)隨其位置的改變而變化,底緣脈動(dòng)壓強(qiáng)亦隨閘后流態(tài)的轉(zhuǎn)變而變化,故計(jì)算得到的壓力時(shí)程曲線為一非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。為探究不同底緣形式下閘底的穩(wěn)定特性,獲得底緣脈動(dòng)壓力的統(tǒng)計(jì)特征,首先要解決的是非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的趨勢(shì)項(xiàng)剔除問(wèn)題。目前,趨勢(shì)項(xiàng)剔除的方法大致可分為如下幾類:擬合法[10]、模型法、濾波法、小波法等。其中,經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition,EMD)能夠有效的提取簡(jiǎn)單及復(fù)雜的趨勢(shì)項(xiàng)成分,獲得平滑的趨勢(shì)項(xiàng)信號(hào)[11]。鑒于此,本文利用EMD[12]方法,濾除計(jì)算壓強(qiáng)曲線的趨勢(shì)項(xiàng)部分,得到脈動(dòng)壓強(qiáng)時(shí)程線,并結(jié)合數(shù)據(jù)分段處理技術(shù),獲得時(shí)變均方根計(jì)算曲線。

圖5 底緣壓強(qiáng)脈動(dòng)特性(后傾角30°)

以后傾角30°為例,給出該體型下閘底壓強(qiáng)計(jì)算曲線、EMD分解后的趨勢(shì)項(xiàng)線及脈動(dòng)壓強(qiáng)曲線如圖5所示(本文壓強(qiáng)均以壓力水頭計(jì)，單位為m)。結(jié)果表明:EMD對(duì)于數(shù)值計(jì)算結(jié)果同樣適用,通過(guò)重構(gòu)獲得的趨向性信號(hào)能夠有效反映底緣壓力的整體變化趨勢(shì);此外,閘底脈動(dòng)壓強(qiáng)基本在0 kPa附近上下波動(dòng),閘后為明流流態(tài)時(shí),波動(dòng)幅度顯著增大;上述脈動(dòng)壓強(qiáng)時(shí)程線雖能反映閘底壓力脈動(dòng)情況,卻無(wú)法直觀、定量地給出各體型的穩(wěn)定特性。通過(guò)引入時(shí)變均方根參數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn):平底底緣脈動(dòng)壓強(qiáng)最大時(shí)變均方根為2.6 m,數(shù)值最大,緊跟隨后的為前后傾角組合形式,后傾角30°和前傾角45°最大時(shí)變均方根相當(dāng),后傾角45°最大時(shí)變均方根最小,為1.94 m。

3.2 閉門力

圖6為閉門過(guò)程中各底緣形式的壓力趨勢(shì)線，可以看出:閘門底緣形式對(duì)啟閉力的影響顯著。底緣傾角朝向上游,其壓力在整個(gè)閉門過(guò)程中表現(xiàn)為上托力,隨著閘門開(kāi)度的增加,底緣壓力先小范圍內(nèi)陡然上升,后持續(xù)下降至最低點(diǎn),最后迅速增至100 m水柱附近。對(duì)于后傾角和平底底緣而言,底緣受力形式與閘后流態(tài)有關(guān),門后滿流流態(tài)易形成上托力,明滿流或明流流態(tài)形成下吸力。壓力曲線變化趨勢(shì)類似于上游傾角形式,閘門全開(kāi)時(shí)底緣壓力最大,約56 m水柱。閘后為明流流態(tài)后,閘門底緣出現(xiàn)水流分離現(xiàn)象,閘下產(chǎn)生負(fù)壓,由于水流旋滾摻氣越來(lái)越劇烈,閘門的下吸力達(dá)到最大,隨著事故門開(kāi)度的繼續(xù)減小,閘后通氣逐漸充分,閘底負(fù)壓減小,下吸力降至為0 kN。對(duì)比兩種后傾底緣形式,閘門后傾角由30°增至45°,底緣最大負(fù)壓從7.67 m水柱降至7.28 m水柱,減小5.0%,下吸力隨下游傾角增大而減小,這與文獻(xiàn)[14]中的結(jié)論相符。明流流態(tài)時(shí)平底形式的底緣壓力整體低于后傾30°的底緣壓力,最大負(fù)壓相差1.11 m水柱,且其負(fù)壓持續(xù)開(kāi)度較長(zhǎng)。前后傾角組合形式,底緣壓力基本呈上托力,計(jì)算曲線整體位于前、后傾角底緣之間。

圖6 閘門底緣壓強(qiáng)趨勢(shì)線

3.3 閘底空化特性

3.3.1 閘底空化特性

底緣空化特性是判斷閘底體型好壞的關(guān)鍵指標(biāo)之一。為此,通過(guò)分析各體型下水流空化數(shù)隨閘門開(kāi)度的變化情況,探究閘下壓力分布特性,尋求最優(yōu)底緣體型。

按照SL 74—2013《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》,水流空化數(shù)K的計(jì)算公式如下:

(5)

式中:v1為閘門底緣的平均流速,m/s;H1為底緣相對(duì)壓強(qiáng),m;Ha為大氣壓強(qiáng),m;Hv為汽化壓強(qiáng),取0.25 m。

水流空化數(shù)K隨閘門開(kāi)度的整體變動(dòng)趨勢(shì)與底緣壓強(qiáng)變動(dòng)趨勢(shì)基本一致。上游傾角和前后傾角組合形式:隨閘門開(kāi)度的減小,K值先降后升,在0.4開(kāi)度附近出現(xiàn)最小值,分別為1.22和0.20。下游傾角和平底底緣K值隨開(kāi)度的增大而減小,閘后為明流時(shí)水流空化數(shù)均小于0.6,其中平底底緣K值最小,為0.06,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各底緣形式計(jì)算結(jié)果

3.3.2 閘底壓力分布特征

取事故閘門相對(duì)開(kāi)度為0.25時(shí)的閘下壓力分布情況進(jìn)行研究,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。平底底緣和組合傾角形式的后半面底緣出現(xiàn)較顯著的低壓區(qū),水流分離點(diǎn)在靠近負(fù)壓區(qū)的上游側(cè),當(dāng)水流脫壁時(shí),閘下射流與底緣之間形成空隙,若空隙得不到及時(shí)補(bǔ)氣,閘底產(chǎn)生負(fù)壓。后傾角底緣,若傾角設(shè)計(jì)得當(dāng),底緣處無(wú)明顯負(fù)壓,過(guò)閘流態(tài)良好,補(bǔ)氣充分。前傾角底緣整體壓力較大,發(fā)生空蝕破壞的可能性最低。

圖7 閘門區(qū)壓強(qiáng)分布云圖(單位：m)

3.4 底緣選型初步探討

綜合分析:①前傾角底緣形式,閘下易形成上托力,進(jìn)而降低閘門的啟閉力,故對(duì)靠自重?zé)o法下門的事故閘門不利;若上游傾角布置合理,閘門底緣幾乎無(wú)水流分離點(diǎn),過(guò)閘水流流態(tài)穩(wěn)定,閘底脈動(dòng)情況適中,底緣空化數(shù)較大,發(fā)生空蝕破壞的可能性最低,且壓力分布情況最優(yōu)。②后傾角底緣形式,閘后明流流態(tài)時(shí)底緣壓力呈下吸力,有利于閘門的落門;該體型閘底上游側(cè)易產(chǎn)生空蝕破壞,底緣傾角的增大可改善閘下流態(tài)、提高閘門穩(wěn)定性、增大水流空化數(shù)、降低閘門的閉門持住力。③前、后傾角組合形式的底緣,閘下流態(tài)較后傾角底緣復(fù)雜,水流脈動(dòng)較高,計(jì)算空化數(shù)整體雖高,但后半面底緣壓強(qiáng)過(guò)低,最易發(fā)生空蝕破壞,可嘗試增大底緣后傾角以改善閘底流態(tài);此外,該體型部分利用水柱下門,整體底緣壓力位于前傾角和后傾角之間。④平底底緣形式,閘下水流條件較差,水流脈動(dòng)最強(qiáng),空化數(shù)最低,所需啟閉力最大,適用于小型工程中的閘門。

在考慮閘底壓力分布特性的基礎(chǔ)上,從降低啟閉力、提高閘門穩(wěn)定性、減小底緣空化數(shù)三者綜合考量,各底緣形式優(yōu)先級(jí)由低到高依次為:平底底緣、組合底緣體型、后傾30°、后傾45°、前傾45°。

上述優(yōu)選體型適用于能靠自重下門的閘門,對(duì)于無(wú)法靠自重下門的閘門還需另行設(shè)計(jì)考量。

4 結(jié) 論

a. 數(shù)值模擬得到的規(guī)律和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,說(shuō)明本文所采用的數(shù)值方法較合理。

b. 通過(guò)EMD方法提取底緣壓力計(jì)算曲線的趨勢(shì)項(xiàng),獲得閘底水流脈動(dòng)特征,結(jié)果表明后傾角45°脈動(dòng)最小。

c. 閘門底緣形式的改變對(duì)啟閉力影響顯著。前傾角或前、后傾角組合形式,閘底壓力基本呈上托力,降低閘門的啟閉力;平底底緣和后傾角底緣的閘底受力形式與閘后流態(tài)有關(guān),滿流流態(tài)表現(xiàn)為上托力,明滿流或明流流態(tài)呈下吸力,且下游傾角的增加會(huì)降低下吸力,進(jìn)而減小閘門的啟閉力。

d. 底緣空化特性因底緣形式而異。按發(fā)生空蝕破壞的可能性由低到高依次排序:前傾角45°、后傾角45°、后傾角30°、前后傾角組合形式(主要是后半底面)、平底底緣。

e. 綜合考量,對(duì)能靠自重下門的事故門而言,前傾角45°方案最優(yōu)。

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Numericalsimulationofhydrauliccharacteristicsofplaingatewithdifferenttypesofbottomedges

LIU Fang, ZHAO MingLi, LENG Dongsheng, XIN Shiqiang

(StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

The closing process of high-head plain gates was numerically simulated with the RNGk-εmodel, VOF method, and dynamic mesh division technique. The reliability of the numerical method was verified with measured data. The trend term of bottom edge pressure was extracted using empirical mode decomposition (EMD), a processing technology of a nonstationary random process. The relationships between the bottom edge type, flow fluctuation, and holding force were examined. The optimal bottom edge type was determined through comprehensive consideration of the pressure fluctuation, cavitation, and holding force characteristics of the bottom edge. The results show that the type of bottom edges of gates has a significant influence on the opening and closing forces, and a bottom edge with a front inclination leads to the minimum opening and closing forces, lower pressure fluctuation, and less cavitation damage.

plain gate; hydrodynamic closing; numerical simulation; hydrodynamic characteristic; bottom edge type; empirical mode decomposition

國(guó)家自然科學(xué)基金 (51579172)

劉昉(1979—),男,副教授,博士,主要從事水動(dòng)力特性研究。E-mail:fangliu@tju.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.05.008

TV135.41

：A

：1006-7647(2017)05-0046-05

2016-09-06 編輯：張志琴)