分側(cè)式閘站樞紐下游底坎整流特性

馮建剛,孟湘云,錢尚拓

(1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.西藏農(nóng)牧學(xué)院水利與土木工程學(xué)院,西藏 林芝 860000)

閘站合建樞紐具有布置緊湊,占地面積少,施工期短,節(jié)約工程投資,便于管理等優(yōu)點(diǎn),在水利工程中得到廣泛應(yīng)用,取得較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。如泰州引江河高港樞紐、常熟望虞河水利樞紐、無錫江尖水利樞紐等。其設(shè)計(jì)中較多采用對稱式布置,但在特殊地形條件下需采用泵站與水閘分居河道兩側(cè)的分側(cè)式布置。分側(cè)式閘站合建樞紐在水閘單獨(dú)運(yùn)行時(shí),閘下主流寬度小于天然河道過流寬度,水流難以在較短距離內(nèi)通過自身調(diào)整而充分?jǐn)U散,將在下游形成較大范圍的回流和偏流[1],增大消能防沖壓力,危害通航安全。因此,有必要研究分側(cè)式閘站樞紐下游流態(tài)問題并提出合理有效的整流措施,這對其安全高效運(yùn)行具有重大實(shí)際意義。

本文以上海市某閘站工程為例,研究分側(cè)式閘站樞紐下游流態(tài)特征及整流問題。圖1為閘站工程平面布置圖,它采用“泵+閘”分側(cè)布置形式,分別布置泵站、水閘于河道左側(cè)和右側(cè)。水閘為單孔閘,單孔凈寬為13.50 m,閘底高程為1.00 m,閘下河道斷面為矩形,河口寬度為36.00 m,河底高程為-1.00 m,模型比尺為1/20。本文針對該工程水閘運(yùn)行的最常見工況展開研究,取閘門開度0.8 m,上游水位3.68 m,下游水位3.11 m。初步研究表明,當(dāng)水閘單獨(dú)運(yùn)行時(shí),下游存在顯著的回流和偏流等問題。

圖1 閘站工程平面布置(單位：m)

底坎作為一種泵站前池的整流措施,具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、整流效果顯著等優(yōu)勢,有望應(yīng)用于分側(cè)式閘站樞紐下游整流問題。馮旭松[2]、周正富等[3]研究了坎高對前池整流效果的影響,認(rèn)為:①坎高設(shè)計(jì)過低,坎后漩滾區(qū)較小,坎后流動不能重新均勻分布;②坎高設(shè)計(jì)過高,水流擾動強(qiáng)烈,擴(kuò)散長度不足,泵前斷面流速分布很不均勻;③隨著坎高增大出現(xiàn)回流區(qū)先變小后增大的規(guī)律,給出建議坎高(0.35～0.65)H(H為前池水深)。成立等[4]、馮旭松[2]研究了底坎位置對前池整流效果的影響,認(rèn)為:①底坎離進(jìn)水池較近時(shí),泵前斷面流速均勻度降低,進(jìn)水流態(tài)較差;②底坎離進(jìn)水池太遠(yuǎn)時(shí),達(dá)不到理想的整流效果;③過坎后的漩滾長度直接決定底坎的設(shè)置位置,并給出建議整流底坎至進(jìn)水池距離取(1.3～1.5)倍漩滾長度。羅燦等[5]研究了坎寬對前池整流效果的影響,認(rèn)為隨著坎寬變大,底層速度矢量分布大致相同,坎寬對前池流態(tài)的影響較小。

目前對分側(cè)式閘站樞紐下游底坎整流特性研究成果仍不多。本文采用Flow-3D數(shù)值模擬結(jié)合物理模型試驗(yàn)的方法,研究底坎對分側(cè)式閘站樞紐下游回流和偏流問題的改善效果,嘗試建立漩長、漩寬、流速不均勻系數(shù)等水力特性與底坎尺寸和位置的相關(guān)性,為底坎的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

1.1 基本方程

閘下出流屬于復(fù)雜的三維湍流運(yùn)動,目前計(jì)算湍流的方法有雷諾平均方程法(RANS)、尺度解析模擬法(SRS)等。SRS需大量計(jì)算資源且效率遠(yuǎn)不如RANS。RNGk-ε湍流模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型計(jì)算精度高,使用廣泛,可以更好地處理旋流、高應(yīng)變率流動及流線彎曲度較大的流動[6-7]。所以本文采用雷諾平均方程法和RNGk-ε湍流模型進(jìn)行模擬。雷諾平均方程法的連續(xù)方程、動量方程為

(1)

(2)

RNGk-ε湍流模型形式為

(3)

(4)

其中μeff=μ+μtμt=ρCuk2/ε

η=(2EjiEij)1/2k/ε

Eij=(?ui/?xj+?uj/?xi)/2

式中:k為湍動能;ε為耗散率;μt為動力渦黏系數(shù);Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能;Eji為主流的時(shí)均應(yīng)變率;常數(shù)項(xiàng)αk=αε=1.39,η0=4.377,β=0.012,Cu=0.084 5,C1ε=1.42,C2ε=1.68[8]。

1.2 自由表面處理

在計(jì)算泵站進(jìn)水池的三維流場時(shí),普遍采用剛蓋假定處理自由表面問題。對于閘站合建樞紐的下游,水面波動較為劇烈的情況,剛蓋假定無法描述水面的變化。所以本文采用簡單有效、可以描述自由表面各種復(fù)雜變化的VOF法。

VOF法是由Hirt和Nicholsl提出的處理復(fù)雜水面的一種新方法[9]。其處理自由水面的思路是:在網(wǎng)格單元中定義水的體積比函數(shù)F∈[0,1],F=0表示該單元只為氣體,F=1表示單元只充滿水體,而當(dāng)0

(5)

利用αw的梯度可確定自由水面的法線方向。

VOF的k-ε模型與單相的k-ε模型其形式完全一致。只在密度ρ和黏性系數(shù)μ中存在差異,二者都是通過單元的體積分?jǐn)?shù)作加權(quán)平均后得出,表達(dá)式如下:

ρ=αwρw+(1-αw)ρa(bǔ)

(6)

μ=αwμw+(1-αw)μa

(7)

式中:ρw、ρa(bǔ)分別為水與空氣的密度；μw、μa分別為水和空氣的黏性系數(shù)。

1.3 邊界條件與網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬計(jì)算域選取閘門上游5 m(x=0)至閘門下游135 m(x=140 m)的區(qū)域,使得水流到達(dá)出口斷面時(shí)已獲得較為均勻的流速分布。進(jìn)口和出口均設(shè)置水位邊界條件,設(shè)置進(jìn)口水位為3.68 m、出口水位為3.11 m,壁面采用無滑移邊界條件。模型采用Pro/E軟件建立,導(dǎo)入Flow-3D后采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性分析,最終確定網(wǎng)格數(shù)為400萬。

2 底坎整流特性

2.1 底坎體型設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)8個(gè)底坎方案以系統(tǒng)研究底坎尺寸和位置對下游流態(tài)和水力特性的影響[10],不同底坎尺寸和位置具體參數(shù)如表1所示。其中方案M00(以下簡稱M00，下同，其他方案同理簡稱)不設(shè)底坎,M00、M11分析底坎對流態(tài)的影響,M00、M11、M12、M13分析坎高對水力特性的影響,M11、M21、M22分析坎寬對水力特性的影響,M11、M31、M32分析坎墩間距對水力特性的影響?？捕臻g距為泵閘隔墩末端與底坎的水平距離,具體位置見圖1標(biāo)注。

表1 底坎尺寸和位置的參數(shù) m

2.2 評價(jià)指標(biāo)

對于分側(cè)式閘站樞紐,水閘單獨(dú)運(yùn)行時(shí)理想的下游流態(tài)特征為:無大范圍的回流及偏流,流速均勻分布,形成全斷面過流。相應(yīng)地引入3個(gè)評價(jià)參數(shù):流速不均勻系數(shù)K、漩長a和漩寬b。

2.2.1流速不均勻系數(shù)

利用流速不均勻系數(shù)K來表示水流在河道寬度上分布的均勻程度,K越小說明斷面流速分布越均勻。以水流入口為0點(diǎn),順?biāo)鞣较?0～140 m范圍內(nèi),每隔10 m取一個(gè)斷面。在每個(gè)斷面上均勻布置121個(gè)垂線,然后將每條垂線上的流速進(jìn)行積分,求得每條垂線的平均流速。由此,可采用式(8)計(jì)算某斷面流速的不均勻系數(shù):

(8)

2.2.2漩長和漩寬

圖2為表層回流區(qū)平面劃分示意圖[11]。水流穩(wěn)定后,存在一條曲線AB,其中A點(diǎn)是曲線與左岸的交點(diǎn),B點(diǎn)是隔墩末端(x=40.8 m),此線右側(cè)(順?biāo)鞣较?流量始終等于閘下出流流量,此區(qū)為主流區(qū),此線左側(cè)為回流區(qū)。漩長a是A點(diǎn)與B點(diǎn)之間順?biāo)鞣较虻拈L度。十字位置為回流中心,此處各個(gè)方向速度均為0,過回流中心做左岸的垂線與曲線AB交于點(diǎn)C。漩寬b是C點(diǎn)與左岸的垂直長度。a、b越小表示回流區(qū)越小,水流擴(kuò)散的程度越好。

圖2 表層回流區(qū)平面劃分示意圖

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.3.1數(shù)值模型驗(yàn)證

圖3為M00物理模型流態(tài)照片,拍攝過程中添加泡沫顆粒作為示蹤粒子以反映水流表層的流線特征[12]。圖4為M00數(shù)值模擬表層流線圖。對比圖3和圖4可得,數(shù)值模擬和物理模型得到的流態(tài)特征基本相似:水閘出流在泵閘隔墩以后,沿程逐漸向河道左岸(泵站側(cè))擴(kuò)散,直至到達(dá)左岸;主流與左岸之間形成大尺度的橢圓形回流區(qū),其上游側(cè)最遠(yuǎn)可到達(dá)泵站出水池內(nèi),并且寬度較大,壓迫主流現(xiàn)象嚴(yán)重。表2對比了M00漩長、漩寬的數(shù)值模擬和物理模型結(jié)果,分別相差5.08%、5.41%,表明數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

圖3 M00物理模型流態(tài)照片

圖4 M00數(shù)值模擬表層流線

表2 M00數(shù)值模擬與物理模型結(jié)果對比

2.3.2底坎對流態(tài)的影響

圖5為M11數(shù)值模擬表層流線圖。相對于M00,M11的回流區(qū)尺寸顯著減小,其上游側(cè)由于受到底坎的阻擋難以到達(dá)泵站出水池內(nèi),寬度明顯減小,因此對主流的壓迫減弱,使得主流在更短距離內(nèi)擴(kuò)散到對岸。表3為多方案的漩長、漩寬數(shù)值模擬結(jié)果。相對于M00,M11的漩長、漩寬分別減小了5.10%、4.76%。

圖5 M11數(shù)值模擬表層流線

表3 多方案的漩長、漩寬數(shù)值模擬結(jié)果m

上述結(jié)果表明,底坎能夠有效改善分側(cè)式閘站樞紐的下游流態(tài),顯著縮小回流區(qū)尺寸,促進(jìn)主流擴(kuò)散,使其在更短距離內(nèi)形成全斷面過流。為了分析原因,圖6給出了過坎水流流態(tài)。受到底坎的頂沖作用,出閘水流的一部分水體直接翻越底坎流向下游,另一部分水體流向急劇變化,獲得較大的橫向流速,在翻越底坎的同時(shí),順底坎向左岸流動一定距離后再流向下游。因此主流寬度在底坎附近顯著增大,回流區(qū)受到擠壓而明顯減小。

圖6 過坎水流流態(tài)

2.3.3坎高對水力特性的影響

圖7 M12數(shù)值模擬表層流線

圖8 M13數(shù)值模擬表層流線

圖7、圖8為 M12、M13數(shù)值模擬表層流線圖。對比圖4、圖5、圖7和8可知,隨著坎高增大,主流更快向左岸擴(kuò)散,回流區(qū)向上游移動、尺寸逐漸減小,壓迫主流現(xiàn)象減輕。對比表2和表3可知,當(dāng)坎高從0增大到0.4 m,漩長、漩寬分別減小了2.04%和1.90%;當(dāng)坎高從0.4 m增大到0.8 m時(shí),漩長、漩寬分別減小了3.13%和2.91%;當(dāng)坎高從0.8 m增大到1.2 m時(shí),漩長、漩寬分別減小了11.29%和13.00%。圖9為不同方案流速不均勻系數(shù)沿程變化。由圖9可知,隨沿程變化各方案K值變化趨勢相同,均是先增大后減小,在x>130 m以后,基本趨于0.60。增大坎高使得不均勻系數(shù)沿程的最大值明顯降低,更短距離內(nèi)達(dá)到工程要求的較小值(K=0.3～1.4)[13],將顯著提高外河的通航安全。

圖9 不同方案流速不均勻系數(shù)沿程變化

上述結(jié)果表明,增大坎高可有效改善下游流態(tài),顯著減小回流區(qū)尺寸,提高流速均勻度。原因?yàn)?坎高增大,擠壓水流的垂向過流空間,減小過流斷面,增加水流流速,使平面上水流在底坎前順著底坎向兩側(cè)流動,促進(jìn)水流橫向擴(kuò)散。

2.3.4坎寬對水力特性的影響

圖10 M21數(shù)值模擬表層流線

圖11 M22數(shù)值模擬表層流線

圖10、圖11分別為M21、M22數(shù)值模擬表層流線圖。對比圖5、圖10和圖11可知,隨著坎寬增大,偏流現(xiàn)象先減弱后提高,回流區(qū)尺寸先減小后增大。由表3可知,當(dāng)坎寬從0.2 m增大到0.6 m,漩長、漩寬分別減小了3.63%和3.85%;當(dāng)坎寬從0.6 m增大到1.0 m,漩長、漩寬分別增大了1.34%和2.00%。圖12為M11、M21、M22流速不均勻系數(shù)沿程變化。由圖12可知,隨沿程變化各方案K值變化趨勢相同,均是先增大后減小,在x>130 m以后,基本趨于0.56。增大坎寬使得不均勻系數(shù)先減小后增大。

圖12 M11、M21、M22流速不均勻系數(shù)沿程變化

上述結(jié)果表明,隨著坎寬增大,回流區(qū)尺寸和流速不均勻系數(shù)先減小后增大。原因?yàn)?坎寬從0.2 m增大到0.6 m,坎寬度適中,起到較好的分流作用,流態(tài)得到改善?？矊拸?.6 m增大到1.0 m,使得水流經(jīng)過底坎時(shí)的過水?dāng)嗝孀冃?坎后的漩滾增加,流態(tài)紊亂。

2.3.5坎墩間距對水力特性的影響

圖13、圖14分別為M31、M32數(shù)值模擬表層流線圖。對比圖5、圖13和圖14可知,底坎距離隔墩的位置對底坎整流效果有顯著影響。隨著坎墩間距增大,回流區(qū)尺寸逐漸減小,壓迫主流現(xiàn)象減輕。由表3可知,當(dāng)坎墩間距從3 m增大到7 m,漩長、漩寬分別減小了3.63%和2.91%;隨著坎墩間距繼續(xù)增大到11 m,漩長、漩寬分別減小了2.69%和8.00%。圖15為M11、M31、M32流速不均勻系數(shù)沿程變化。由圖15可知,隨沿程變化各方案K值變化趨勢相同,均是先增加后減小,在x>130 m以后,基本趨于0.55。增大坎墩間距使得不均勻系數(shù)沿程的最大值明顯降低,更短距離內(nèi)達(dá)到工程要求的較小值。

圖13 M31數(shù)值模擬表層流線

圖14 M32數(shù)值模擬表層流線

圖15 M11、M31、M32流速不均勻系數(shù)沿程變化

上述結(jié)果表明,增大坎墩間距有效改善下游流態(tài),顯著減小回流區(qū)尺寸,提高流速均勻度。原因?yàn)?坎墩間距越大,坎前的回流區(qū)變大,使得水流越過底坎前所需能量較小,坎后的漩滾區(qū)變小。

3 結(jié) 論

a. 數(shù)值模擬流線圖與物理模型流態(tài)圖流態(tài)相近,泵站側(cè)下游均存在大范圍回流區(qū)。漩長、漩寬測量值與計(jì)算值,分別相差5.08%、5.41%。數(shù)值模擬和物理模型結(jié)果在定量和定性上均較為吻合,表明采用數(shù)值模擬方法研究閘站合建樞紐下游整流是可行的,研究成果可為類似下游流態(tài)問題的改造,提供初步的設(shè)計(jì)依據(jù)。

b. 無整流措施情況下水閘單獨(dú)運(yùn)行時(shí),由于水流過閘寬度縮窄,在閘下容易出現(xiàn)主流集中、偏斜以及主流的另外一側(cè)河道內(nèi)產(chǎn)生回流等不良水流流態(tài)。設(shè)置底坎后,漩長、漩寬減小,流速不均勻系數(shù)降低,表明底坎可以較好地改善回流和偏流問題,使單側(cè)水流能夠更快擴(kuò)散到整個(gè)河寬斷面。

c. 隨著坎高和坎墩間距增大,漩長、漩寬和流速不均勻系數(shù)逐漸降低,整流效果提高,隨著坎寬增大,上述水力特性均呈先降低后升高的規(guī)律,整流效果先提高而后出現(xiàn)減弱現(xiàn)象。各方案流速不均勻系數(shù)沿水流方向變化趨勢相同,均是先增加后減小。由數(shù)值模擬可以看出,坎高是影響整流效果的主要因素,坎寬及坎墩間距是次要因素,且坎寬及坎墩間距對流態(tài)改善程度大致相同。