分側式閘站樞紐下游底坎整流特性

馮建剛,孟湘云,錢尚拓

(1.河海大學農業工程學院,江蘇 南京 210098; 2.西藏農牧學院水利與土木工程學院,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,節約工程投資,便于管理等優點,在水利工程中得到廣泛應用,取得較好的經濟和社會效益。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。其設計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的分側式布置。分側式閘站合建樞紐在水閘單獨運行時,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通過自身調整而充分擴散,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,有必要研究分側式閘站樞紐下游流態問題并提出合理有效的整流措施,這對其安全高效運行具有重大實際意義。

本文以上海市某閘站工程為例,研究分側式閘站樞紐下游流態特征及整流問題。圖1為閘站工程平面布置圖,它采用“泵+閘”分側布置形式,分別布置泵站、水閘于河道左側和右側。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,當水閘單獨運行時,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,具有結構簡單、施工方便、整流效果顯著等優勢,有望應用于分側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,認為:①坎高設計過低,坎后漩滾區較小,坎后流動不能重新均勻分布;②坎高設計過高,水流擾動強烈,擴散長度不足,泵前斷面流速分布很不均勻;③隨著坎高增大出現回流區先變小后增大的規律,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,認為:①底坎離進水池較近時,泵前斷面流速均勻度降低,進水流態較差;②底坎離進水池太遠時,達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置位置,并給出建議整流底坎至進水池距離取(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,坎寬對前池流態的影響較小。

目前對分側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數值模擬結合物理模型試驗的方法,研究底坎對分側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、流速不均勻系數等水力特性與底坎尺寸和位置的相關性,為底坎的優化設計提供依據。

1 數學模型及計算方法

1.1 基本方程

閘下出流屬于復雜的三維湍流運動,目前計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需大量計算資源且效率遠不如RANS。RNGk-ε湍流模型比標準k-ε模型計算精度高,使用廣泛,可以更好地處理旋流、高應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湍流模型進行模擬。雷諾平均方程法的連續方程、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;Gk為平均速度梯度產生的湍流動能;Eji為主流的時均應變率;常數項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

在計算泵站進水池的三維流場時,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雜變化的VOF法。

VOF法是由Hirt和Nicholsl提出的處理復雜水面的一種新方法[9]。其處理自由水面的思路是:在網格單元中定義水的體積比函數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μ中存在差異,二者都是通過單元的體積分數作加權平均后得出,表達式如下:

ρ=αwρw+(1-αw)ρa

(6)

μ=αwμw+(1-αw)μa

(7)

式中:ρw、ρa分別為水與空氣的密度；μw、μa分別為水和空氣的黏性系數。

1.3 邊界條件與網格劃分

數值模擬計算域選取閘門上游5 m(x=0)至閘門下游135 m(x=140 m)的區域,使得水流到達出口斷面時已獲得較為均勻的流速分布。進口和出口均設置水位邊界條件,設置進口水位為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,導入Flow-3D后采用結構化網格進行劃分。經過網格無關性分析,最終確定網格數為400萬。

2 底坎整流特性

2.1 底坎體型設計

設計8個底坎方案以系統研究底坎尺寸和位置對下游流態和水力特性的影響[10],不同底坎尺寸和位置具體參數如表1所示。其中方案M00(以下簡稱M00，下同，其他方案同理簡稱)不設底坎,M00、M11分析底坎對流態的影響,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。坎墩間距為泵閘隔墩末端與底坎的水平距離,具體位置見圖1標注。

表1 底坎尺寸和位置的參數 m

2.2 評價指標

對于分側式閘站樞紐,水閘單獨運行時理想的下游流態特征為:無大范圍的回流及偏流,流速均勻分布,形成全斷面過流。相應地引入3個評價參數:流速不均勻系數K、漩長a和漩寬b。

2.2.1流速不均勻系數

利用流速不均勻系數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,順水流方向50～140 m范圍內,每隔10 m取一個斷面。在每個斷面上均勻布置121個垂線,然后將每條垂線上的流速進行積分,求得每條垂線的平均流速。由此,可采用式(8)計算某斷面流速的不均勻系數:

(8)

2.2.2漩長和漩寬

圖2為表層回流區平面劃分示意圖[11]。水流穩定后,存在一條曲線AB,其中A點是曲線與左岸的交點,B點是隔墩末端(x=40.8 m),此線右側(順水流方向)流量始終等于閘下出流流量,此區為主流區,此線左側為回流區。漩長a是A點與B點之間順水流方向的長度。十字位置為回流中心,此處各個方向速度均為0,過回流中心做左岸的垂線與曲線AB交于點C。漩寬b是C點與左岸的垂直長度。a、b越小表示回流區越小,水流擴散的程度越好。

圖2 表層回流區平面劃分示意圖

2.3 數值模擬結果分析

2.3.1數值模型驗證

圖3為M00物理模型流態照片,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數值模擬表層流線圖。對比圖3和圖4可得,數值模擬和物理模型得到的流態特征基本相似:水閘出流在泵閘隔墩以后,沿程逐漸向河道左岸(泵站側)擴散,直至到達左岸;主流與左岸之間形成大尺度的橢圓形回流區,其上游側最遠可到達泵站出水池內,并且寬度較大,壓迫主流現象嚴重。表2對比了M00漩長、漩寬的數值模擬和物理模型結果,分別相差5.08%、5.41%,表明數值模擬結果具有較高的準確性。

圖3 M00物理模型流態照片

圖4 M00數值模擬表層流線

表2 M00數值模擬與物理模型結果對比

2.3.2底坎對流態的影響

圖5為M11數值模擬表層流線圖。相對于M00,M11的回流區尺寸顯著減小,其上游側由于受到底坎的阻擋難以到達泵站出水池內,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擴散到對岸。表3為多方案的漩長、漩寬數值模擬結果。相對于M00,M11的漩長、漩寬分別減小了5.10%、4.76%。

圖5 M11數值模擬表層流線

表3 多方案的漩長、漩寬數值模擬結果m

上述結果表明,底坎能夠有效改善分側式閘站樞紐的下游流態,顯著縮小回流區尺寸,促進主流擴散,使其在更短距離內形成全斷面過流。為了分析原因,圖6給出了過坎水流流態。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,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,回流區受到擠壓而明顯減小。

圖6 過坎水流流態

2.3.3坎高對水力特性的影響

圖7 M12數值模擬表層流線

圖8 M13數值模擬表層流線

圖7、圖8為 M12、M13數值模擬表層流線圖。對比圖4、圖5、圖7和8可知,隨著坎高增大,主流更快向左岸擴散,回流區向上游移動、尺寸逐漸減小,壓迫主流現象減輕。對比表2和表3可知,當坎高從0增大到0.4 m,漩長、漩寬分別減小了2.04%和1.90%;當坎高從0.4 m增大到0.8 m時,漩長、漩寬分別減小了3.13%和2.91%;當坎高從0.8 m增大到1.2 m時,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沿程的最大值明顯降低,更短距離內達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沿程變化

上述結果表明,增大坎高可有效改善下游流態,顯著減小回流區尺寸,提高流速均勻度。原因為: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流動,促進水流橫向擴散。

2.3.4坎寬對水力特性的影響

圖10 M21數值模擬表層流線

圖11 M22數值模擬表層流線

圖10、圖11分別為M21、M22數值模擬表層流線圖。對比圖5、圖10和圖11可知,隨著坎寬增大,偏流現象先減弱后提高,回流區尺寸先減小后增大。由表3可知,當坎寬從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先減小后增大。

圖12 M11、M21、M22流速不均勻系數沿程變化

上述結果表明,隨著坎寬增大,回流區尺寸和流速不均勻系數先減小后增大。原因為: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,流態得到改善。坎寬從0.6 m增大到1.0 m,使得水流經過底坎時的過水斷面變小,坎后的漩滾增加,流態紊亂。

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,回流區尺寸逐漸減小,壓迫主流現象減輕。由表3可知,當坎墩間距從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沿程的最大值明顯降低,更短距離內達到工程要求的較小值。

圖13 M31數值模擬表層流線

圖14 M32數值模擬表層流線

圖15 M11、M31、M32流速不均勻系數沿程變化

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

3 結 論

a. 數值模擬流線圖與物理模型流態圖流態相近,泵站側下游均存在大范圍回流區。漩長、漩寬測量值與計算值,分別相差5.08%、5.41%。數值模擬和物理模型結果在定量和定性上均較為吻合,表明采用數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問題的改造,提供初步的設計依據。

b. 無整流措施情況下水閘單獨運行時,由于水流過閘寬度縮窄,在閘下容易出現主流集中、偏斜以及主流的另外一側河道內產生回流等不良水流流態。設置底坎后,漩長、漩寬減小,流速不均勻系數降低,表明底坎可以較好地改善回流和偏流問題,使單側水流能夠更快擴散到整個河寬斷面。

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律,整流效果先提高而后出現減弱現象。各方案流速不均勻系數沿水流方向變化趨勢相同,均是先增加后減小。由數值模擬可以看出,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改善程度大致相同。