基于CFX的雙向流道自引自排閘門開度控制研究

王夢成，劉玉平，徐付祥，陳松山

(1.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225000；2. 鎮江市諫壁抽水站管理處，江蘇 鎮江 212000)

我國大部分地區均存在降雨的時空不均衡性，因此灌溉與排澇的雙重任務顯得尤為突出。而閘站結合雙向流道泵站不僅具有“一站四閘”的功能，又能降低工程造價，且具有較高的水泵裝置效率，自20世紀70年代以來，在沿江和太湖流域等得到廣泛應用。國內學者針對大型雙向流道泵站提排、提灌的特性研究較多[1，2]，研究提出一些高效的雙向流道裝置形式[3，4 ]，但涉及雙向流道泵站自排、自引過流特性的研究較少，已制約了雙向流道泵站的多功能綜合效益發揮。隨著近現代流體力學、計算數學和計算機科學的發展，以及計算流體力學軟件開發與應用，湍流數值模擬已成為解決工程問題的重要手段。研究將基于三維湍流數值模以典型的雙向流道泵站-諫壁泵站[5]為研究對象，探討雙向流道泵站自引自排的過流特性和流道內流速分布特性，旨在提出一些閘門優化運行方案。

1 工程概況

諫壁抽水站地處鎮江市東郊，是一座典型的大型雙向流道泵站，它擔負著太湖流域排澇、抗旱、河道沖淤和保證通航等多重任務。泵站安裝2800ZLQ-27-3立式軸流泵6臺，配套1800kW的TL1800-40/3300同步電機，設計流量162 m3/s。諫壁泵站采用閘站結合的“X型”雙向進出水流道實現灌排結合，泵站設有36扇液壓快速閘門斷流，其中出水流道12扇，進水流道24扇，通過調控進出流道的液壓快速閘門，可實現太湖湖西地區的內澇水經過運河提排或自排入長江，也可提灌或自引長江進入太湖湖西地區，諫壁泵站的剖面圖見圖1。自1978年建成以來，泵站主要是通過提排、提灌解決太湖湖西片的排澇灌溉需求。近年來，也開始嘗試泵站的自排自引功能，但有關不同上下游水位差、不同引水排水流量下的閘門合理開啟模式還處于摸索階段，亟待從理論上予以探討。

圖1 泵站剖面圖Fig.1 Pump station profile

2 自排自引數值模擬模型

2.1 控制方程

泵站雙向流道內的水體具有連續性和不可壓縮流體[6]，其時均化的動量方程(RANS)與連續性方程可表達為：

(1)

(2)

式中：ui表示平均流速；p表示平均壓力；μ表示分子黏性系數；μt表示渦黏性系數，可用渦團黏性假設表示；Cμ為系數，取0.09。

湍流模型采用標準的k-ε方程：

(3)

(4)

2.2 邊界條件[7]

自引自排工況下，因只開啟下層進水流道閘門，而水泵不運行、出水流道閘門關閉，因此，可假設水泵段及出水流道區域為死水區。數值計算只需模擬雙向進水流道的過流特性即可。雙向進水流道的邊界條件包括：進口邊界條件、出口邊界條件以及固壁面邊界條件。

(1)進口邊界。進口邊界設在進水池處，并假定來流為充分發展湍流，進口斷面流速分布均勻且垂直進口斷面。

(2)出口邊界。出口邊界設在出水池，考慮出口可能存在回流，在CFX前處理中出口邊界設置為Open Pressure and Direction，即：給定壓力值，并假設壓力方向垂直于出口斷面。

(3)固壁面邊界。假設壁面無滑移；對于近壁面區，當y+>11.06時，使用標準壁面函數，而當y+<11.06時，則將y+=11.06直接代入標準壁面函數中。在CFX前處理中即為Scalable壁面函數。

2.3 三維造型與網格剖分

鑒于諫壁泵站原型雙向進水流道尺寸較大，為了確保模擬的準確性，特別是滿足近壁面函數條件，所需網格數量過于巨大。為此，可據相似理論將原型按照幾何比尺19.33縮小至模型進行精確模擬和深入研究。由諫壁泵站雙向進水流道的幾何形狀與尺寸，使用Pro/E造型軟件進行三維實體造型，并將其導入GAMBIT中進行網格劃分[8]，如圖2、圖3所示。為避免網格數對計算結果的影響，對計算模型劃分了9種不同網格數量方案進行比較，圖4為不同網格數計算結果。分析表明，當網格數量大于360萬時，計算結果的波動范圍在1%～3%之間[9]，考慮到網格數量對于計算資源的占用和耗時的影響，最終確定網格數量為360萬。

圖2 進水流道造型Fig.2 Inlet channel model

圖3 進水流道網格剖分Fig.3 Inlet channel mesh

圖4 網格無關性檢測Fig.4 Mesh independent detection

3 計算結果與分析

3.1 單側閘門不同開度下過流特性

如圖1所示，單側閘門不同開度下過流特性是假設從長江引水至太湖，若保持長江側閘門2全開，而運河側閘門1部分開啟的引水特性。數值模擬中，選取了的運河側閘門相對開度分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0五種工況。分別計算每一閘門開度在不同流量下的對應水位差。不同相對開度下的流量與水位差關系曲線，如圖5所示。

圖5 長江側閘門全開時的流量與水位差曲線Fig.5 The flow and water level difference curve of Changjiang river side gate fully open

工程實際中，水位差由上、下游水位傳感器測得，對于既定的水位差和需水流量，可根據圖5的數值計算結果確定合理閘門開度。首先根據上下游水位差在圖5的縱坐標上找到該水位差點，過該點作水平線，與不同開度的流量壓差曲線相交，每一交點分別對應于一個流量和相對開度，以相對開度為橫坐標，流量為縱坐標，繪制出流量與開度曲線。由流量與開度曲線可查得不同需水流量對應的相對開度。

圖6為水位差200 mm時的閘門相對開度和流量關系曲線。若需水流量為22.42 m3/s，由圖6可快速查得閘門相對開度為0.505，即閘門總高度的50.5%。對于其他不同水位差和需水流量下的閘門相對開度的確定和上述方法類似。

圖6 進水側閘門全開時出水側閘門相對開度流量曲線Fig.6 The relative outlet side gateopeningdegree of the flow curve while the inlet side gate is fully open

3.2 組合開度下流道的過流特性

諫壁泵站雙向進水流道設有4扇閘門，自引自排時的閘門開啟存在多組合。因此，還需探討雙側閘門部分開啟組合的過流特性。為保證引水(排水)的對稱性，進水流道一側的兩扇閘門開度應相同?，F仍以上下游水位差200 mm、引水流量22.42 m3/s工況為例分析。根據上小節的分析結果，運河側閘門相對開度應大于50.5%，設計長江側閘門相對開度為0.8和0.6的兩個方案以及一個運河側全開的方案進行對比。

(1)如圖1所示，保持長江側閘門2的相對開度為0.8，調節閘門1的相對開度使其分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0，分別計算每一閘門開度在不同流量下對應的水位差。不同相對開度下的流量與水位差關系曲線，如圖7所示。

圖7 進水側閘門相對開度為0.8時的流量水位差曲線Fig.7 The flow and water level difference curve while the inlet side gate relative opening degree is 0.8

根據文中3.1節處理方法，可繪制出水位差200 mm時閘門相對開度與流量之間的關系曲線，通過查圖可得流量為22.42 m3/s時對應的運河側閘門相對開度為0.528。

(2)保持長江側閘門2的相對開度為0.6，調節閘門1的相對開度使其分別為0.2、0.4、0.6、0.8，分別計算每一閘門開度在不同流量下對應的水位差。不同相對開度下的流量與水位差關系曲線，如圖8所示。繪制出水位差200 mm時閘門開度與流量之間的關系曲線，通過查圖可得流量為22.42 m3/s時對應的閘門開度為0.605。

圖8 進水側閘門相對開度為0.6時的流量水位差曲線Fig.8 The flow and water level difference curve while the inlet side gate relative opening degree is 0.6

(3)保持運河側閘門1全開，調節長江側閘門2的相對開度使其分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0，分別計算每一閘門開度在不同流量下對應的水位差。不同相對開度下的流量與水位差關系曲線，如圖9所示。繪制出水位差200 mm時閘門開度與流量之間的關系曲線，通過查圖可得流量為22.42 m3/s時對應的長江側閘門相對開度為0.52。

圖9 運河側閘門全開時的流量水位差曲線Fig.9 The flow and water level difference curve of canalriver side gate fully open

3.3 不同閘門開啟方案的流道內流特性

圖10 雙向流道內部速度等值線Fig.10 Internal velocity contour of two way flow passage

單側開啟閘門和雙側組合開啟閘門，當上下游水位差為200 mm時，均能滿足引水22.42 m3/s的要求。為了比選最優開啟方式，分別數值模擬4個可行方案的內部流動，如圖10所示。研究表明，不同方案的流道內部流動差異明顯。當長江側閘門全開，運河側閘門部分開啟時流道內進水側的流速分布最為均勻；隨著長江側閘門開度的減小與運河側閘門開度的增大，流道內部進水側的湍動增加、流速分布不均而出水一側的流態相對較好，但由工程實際可知在整個流道中進水側的流態對于機組的影響相較于出水側的流態來說更為明顯。由此可見，當進水側閘門開度越大，在相同條件下通過相同的流量時，流道內部進水側流場的流速分布越均勻，方案也越優。

4 結 語

本文以標準k-ε湍流模型方程和時均N-S方程對諫壁泵站雙向進水流道不同閘門組合開度進行了模擬計算，得到了不同水位差下流量與閘門開度的關系及不同閘門開度組合下的流道內部的流場，通過分析得到了如下結論：

(1)引水(排水)時，保持進水一側的閘門全開，控制出水側閘門開度來調節流量是合理方案。

(2)對既定的上下游水位差，根據需水流量，利用數值模擬得出的開度流量關系線，實現閘門開度的精確控制，對雙向流道自引(自排)合理運行具有指導價值。

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