廠頂溢流式廠房閘門不同開度數(shù)值模擬研究

唐晚晴

摘 要：以國(guó)內(nèi)某水電站燈泡貫流式機(jī)組廠頂溢流式廠房為對(duì)象，研究閘門開啟時(shí)不同開度下水流經(jīng)過(guò)溢流道時(shí)的狀態(tài)。采用SST k-ω湍流模型和流體體積（Volume of Fluid，VOF）方法，利用UG軟件建立溢流道三維模型和水庫(kù)流體域，使用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比不同開度泄流下水流經(jīng)過(guò)溢流道的情況，獲得了在不同閘門開度下水體經(jīng)過(guò)溢流道時(shí)的速度以及形態(tài)。結(jié)果表明：閘門開啟的瞬間水流經(jīng)過(guò)閘門會(huì)出現(xiàn)激流現(xiàn)象，并在直線段末端產(chǎn)生渦流，同時(shí)溢流道的直線段與反弧段交界處的壓力較反弧段的壓力更大;隨著閘門的開啟，廠房側(cè)面壓力逐漸減小，末端挑坎處的壓力逐漸增大。

關(guān)鍵詞：廠頂溢流;開度;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TV314 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）23-0094-04

Abstract： Taking the overflow house on the top of bulb tubular unit plant of a hydropower station as the object， the state of water flow through the overflow passage under different opening of the gate was studied. Combining with the SST turbulence model and the VOF method， using UG software flow through the three dimensional model is established and the reservoir fluid field， the use of Fluent software numerical simulation comparison under different opening discharge water through the overflow， obtained under different gate opening speed and form when water through the overflow. The results show that when the gate is opened， there will be a torrent of water flowing through the gate， and eddy current will be generated at the end of the straight section. At the same time， the pressure at the junction of the straight section and the arc section of the overflow passage is higher than that of the arc section. With the opening of the gate， the side pressure of the workshop gradually decreases， and the pressure at the end of the cantilever gradually increases.

Keywords： roof overflow;opening;numerical simulation

廠頂溢流式水電站是我國(guó)工程建設(shè)中較為新穎的結(jié)構(gòu)形式[1]，其廠房本身作為壩體的一部分承擔(dān)著靜水壓力。在廠頂泄流以及機(jī)組運(yùn)行時(shí)，廠房結(jié)構(gòu)處于復(fù)雜的動(dòng)荷載作用環(huán)境，在閘門開啟過(guò)程中，水流形態(tài)復(fù)雜，較難通過(guò)公式計(jì)算對(duì)水電站廠房產(chǎn)生的影響[2]。本文研究了國(guó)內(nèi)某燈泡貫流式機(jī)組廠頂溢流式水電站的廠房，使用UG軟件建立溢流道和水庫(kù)水體三維模型，結(jié)合SST k-ω湍流模型和流體體積（Volume of Fluid，VOF）方法，對(duì)不同閘門開度下的廠頂溢流式廠房溢流道進(jìn)行計(jì)算，分析閘門開啟過(guò)程中水流經(jīng)過(guò)溢流道的變化情況。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 SST k-ω湍流模型

湍流是一種空間中不規(guī)則和時(shí)間上無(wú)秩序的三維非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，在數(shù)值模擬中有多種適用范圍不同的湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型和SST k-ω湍流模型為數(shù)值模擬中常用的湍流模型[3]。SST k-ω模型由標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型和標(biāo)準(zhǔn)k-[ε]模型都乘以一個(gè)混合函數(shù)再相加后得到。SST k-ω模型綜合了k-ε模型在遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算中能較好地模擬充分發(fā)展的湍流流動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)和k-ω模型在近壁區(qū)計(jì)算中能較好地適用于各種壓力梯度下的邊界層問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)。本模型并不是完全光滑的管道模型，溢流道設(shè)有直線段、反弧段及末端挑坎，需要考慮溢流道不同位置可能產(chǎn)生的高度差對(duì)結(jié)果的影響，因此采用SST k-ω模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1.2 VOF方法

VOF方法在Fluent中通常用于瞬態(tài)計(jì)算，其基本原理是通過(guò)研究網(wǎng)格單元中流體和網(wǎng)格體積比函數(shù)[F]來(lái)確定自由面，追蹤流體的變化，而非追蹤自由液面上質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)[4]。VOF方法根據(jù)體積比函數(shù)[F]來(lái)構(gòu)造和追蹤自由面，兩個(gè)或兩個(gè)以上的相流體不相互滲透。對(duì)于添加到模型中的每個(gè)額外的相，將引入一個(gè)變量，為域內(nèi)的每個(gè)控制體分配適當(dāng)?shù)膶傩院妥兞?。若[F=1]，則說(shuō)明該單元全部為指定的相流體;若[F=0]，則該單元是空的，為無(wú)指定相流體單元;當(dāng)[0<F<1]時(shí)，則該單元包含流體與一個(gè)或多個(gè)其他流體之間的界面，被稱為交界面單元。

2 計(jì)算模型

2.1 工程概況

水庫(kù)正常蓄水位為1 748.00 m，總庫(kù)容為4 794萬(wàn) m3，具有日調(diào)節(jié)性能。電站裝機(jī)容量為240 MW，多年平均發(fā)電量為9.74億kW·h。工程主要任務(wù)是發(fā)電。

本工程等別為中型Ⅲ等，主次要建筑物按3級(jí)設(shè)計(jì)，臨時(shí)建筑物按5級(jí)設(shè)計(jì)，水工建筑物結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅱ等。

水電站廠房為廠頂溢流式，布置在主河道上，主廠房上部結(jié)構(gòu)采用混凝土排架柱屋頂方式。泄洪表孔布置于廠房頂板上，共5孔，孔口寬13.00 m，表孔為寬頂堰型。表孔泄槽為等寬矩形斷面，設(shè)有渥奇段、直線段、反弧段，末端挑坎高程為1 727.86 m，以面流方式與下游銜接。

2.2 計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格劃分

流體域分為水庫(kù)和溢流道兩個(gè)部分，水庫(kù)的長(zhǎng)度設(shè)為800 m，溢流道為廠房上部結(jié)構(gòu)的空腔，泄流區(qū)域?yàn)殚l門開啟時(shí)不同高度空間和溢流道的總和。以六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，溢流道部分網(wǎng)格尺寸為0.5 m，水庫(kù)部分網(wǎng)格尺寸為20 m，在水庫(kù)水體與閘門開啟后的高度空間相接處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，尺寸為0.5 m，整體模型體量較大，如圖1所示。不同開度的閘門計(jì)算共有0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、5.0 m、6.0 m、10.0 m、13.0 m等8種工況。

2.3 邊界條件和初始條件

水庫(kù)水體的上表面設(shè)置靜水壓力入口，設(shè)置為大氣壓力入口，溢流道出口及上部部分區(qū)域設(shè)置為大氣壓力出口，溢流道的壁面設(shè)置為無(wú)滑移邊界條件[5]。流體域的初始條件如下：以閘門接觸水庫(kù)水體的表面為分界，整個(gè)水庫(kù)區(qū)域設(shè)置水體體積分?jǐn)?shù)為1，表示該區(qū)域充滿水;閘門開啟后的空間及溢流道整體設(shè)置水體體積分?jǐn)?shù)為0，表示該區(qū)域充滿空氣。因需要觀察水流在經(jīng)過(guò)溢流道時(shí)的具體形態(tài)，將迭代步長(zhǎng)設(shè)定為0.001 s，最后當(dāng)計(jì)算時(shí)水流速度趨于穩(wěn)定時(shí)停止計(jì)算[6-8]。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同開度下流速分析

閘門不同開度下，溢流道動(dòng)水速度分布見圖2。由圖2可看出，在閘門開啟高度較小時(shí)，易在閘門后的空間以及直流段與反弧段相接處產(chǎn)生渦流，閘門開度為1 m時(shí)，在直線段末端水流的速度高達(dá)642 m/s。隨著閘門的不斷開啟，當(dāng)閘門開度為6 m時(shí)，溢流道內(nèi)整體的水流流速開始趨于穩(wěn)態(tài)，溢流道內(nèi)不再形成明顯的渦流，最大流速降低為499 m/s，位于出口處的最底端。閘門完全打開后，溢流道內(nèi)的水流達(dá)到穩(wěn)態(tài)，最大流速為513 m/s，低于閘門剛開啟時(shí)的最大流速，高于閘門開啟一半高度時(shí)的最大流速，最大流速同樣位于出口處的底端，這也是因?yàn)橐缌鞯纼?nèi)末端挑坎的作用。

3.2 不同開度下壓力分析

在不同閘門開度下溢流道的壓力見表1。在閘門開啟的瞬間，水庫(kù)水體急速涌入溢流道內(nèi)，在閘門后產(chǎn)生較大的壓力，且在剛開啟時(shí)的狀態(tài)下水流速度相當(dāng)大，容易引起閘門的激流振動(dòng)。閘門剛開啟時(shí)水流進(jìn)入溢流道的空間有限，水流在進(jìn)入溢流道后也只能充滿一定空間，故最大側(cè)面壓力也處在直線段與反弧段交接處;隨著閘門開度的增大，溢流道內(nèi)的壓力相應(yīng)減小，水流逐漸充滿整個(gè)溢流道，最大側(cè)面壓力逐漸由直線段與反弧段交接處過(guò)渡到末端挑坎處，最大的出口壓力始終位于出口底端，這也與出口處的最大流速相對(duì)應(yīng)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于UG軟件建立了水庫(kù)和溢流道三維有限元模型，采用SST k-ω湍流模型和VOF方法，通過(guò)Fluent軟件計(jì)算分析了閘門不同開度下水流經(jīng)過(guò)溢流道時(shí)的狀態(tài)。結(jié)果表明，在閘門瞬間開啟時(shí)水流的流速最大，且在溢流道內(nèi)形成了渦流，閘門后以及直線段與反弧段交接處的側(cè)面壓力最大;隨著閘門開度的增大，水流對(duì)溢流道側(cè)面的壓力在閘門開啟過(guò)程中增大，最大側(cè)面壓力區(qū)域發(fā)生了變化，且最大側(cè)面壓力值在閘門完全開啟后降低，流速也穩(wěn)定在一定數(shù)值，最大出口壓力始終位于出口底端。

參考文獻(xiàn)：

[1]葛文浩，王海軍.廠頂溢流式廠房水流脈動(dòng)數(shù)值模擬研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2013（1）：112-114.

[2]曹偉，張運(yùn)良，馬震岳，等.廠頂溢流式水電站廠房振動(dòng)分析[J].水利學(xué)報(bào)，2007（9）：1090-1095.

[3]邵杰，李曉花，郭振江等.k-ω湍流模型在流動(dòng)阻力數(shù)值模擬中的應(yīng)用研究[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2016（1）：120-124.

[4]張健，方杰，范波芹.VOF方法理論與應(yīng)用綜述[J].水利水電科技進(jìn)展，2005（2）：67-70.

[5]唐克東，王旭聲，孫留穎.不同開度時(shí)弧形閘門流固耦合數(shù)值模擬[J].人民黃河，2019（2）：135-137.

[6]劉竹麗，陳赟，伊元忠.不同開度下平面鋼閘門流固耦合數(shù)值模擬研究[J].人民黃河，2020（11）：79-83.

[7]宋偉，何士華，沈春穎.上下游有壓過(guò)閘水流數(shù)值模擬[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2019（12）：118-123.

[8]趙強(qiáng).平板閘門測(cè)流及流場(chǎng)研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2020：28.