廠頂溢流式廠房閘門不同開度數值模擬研究

唐晚晴

摘 要：以國內某水電站燈泡貫流式機組廠頂溢流式廠房為對象，研究閘門開啟時不同開度下水流經過溢流道時的狀態。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流體域，使用Fluent軟件進行數值模擬對比不同開度泄流下水流經過溢流道的情況，獲得了在不同閘門開度下水體經過溢流道時的速度以及形態。結果表明：閘門開啟的瞬間水流經過閘門會出現激流現象，并在直線段末端產生渦流，同時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，廠房側面壓力逐漸減小，末端挑坎處的壓力逐漸增大。

關鍵詞：廠頂溢流;開度;數值模擬

中圖分類號：TV314 文獻標識碼：A 文章編號：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工程建設中較為新穎的結構形式[1]，其廠房本身作為壩體的一部分承擔著靜水壓力。在廠頂泄流以及機組運行時，廠房結構處于復雜的動荷載作用環境，在閘門開啟過程中，水流形態復雜，較難通過公式計算對水電站廠房產生的影響[2]。本文研究了國內某燈泡貫流式機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水體三維模型，結合SST k-ω湍流模型和流體體積（Volume of Fluid，VOF）方法，對不同閘門開度下的廠頂溢流式廠房溢流道進行計算，分析閘門開啟過程中水流經過溢流道的變化情況。

1 數學模型

1.1 SST k-ω湍流模型

湍流是一種空間中不規則和時間上無秩序的三維非穩態流動，在數值模擬中有多種適用范圍不同的湍流模型，標準k-ω湍流模型和SST k-ω湍流模型為數值模擬中常用的湍流模型[3]。SST k-ω模型由標準k-ω模型和標準k-[ε]模型都乘以一個混合函數再相加后得到。SST k-ω模型綜合了k-ε模型在遠場計算中能較好地模擬充分發展的湍流流動的優點和k-ω模型在近壁區計算中能較好地適用于各種壓力梯度下的邊界層問題的優點。本模型并不是完全光滑的管道模型，溢流道設有直線段、反弧段及末端挑坎，需要考慮溢流道不同位置可能產生的高度差對結果的影響，因此采用SST k-ω模型進行數值模擬研究。

1.2 VOF方法

VOF方法在Fluent中通常用于瞬態計算，其基本原理是通過研究網格單元中流體和網格體積比函數[F]來確定自由面，追蹤流體的變化，而非追蹤自由液面上質點的運動[4]。VOF方法根據體積比函數[F]來構造和追蹤自由面，兩個或兩個以上的相流體不相互滲透。對于添加到模型中的每個額外的相，將引入一個變量，為域內的每個控制體分配適當的屬性和變量。若[F=1]，則說明該單元全部為指定的相流體;若[F=0]，則該單元是空的，為無指定相流體單元;當[0<F<1]時，則該單元包含流體與一個或多個其他流體之間的界面，被稱為交界面單元。

2 計算模型

2.1 工程概況

水庫正常蓄水位為1 748.00 m，總庫容為4 794萬 m3，具有日調節性能。電站裝機容量為240 MW，多年平均發電量為9.74億kW·h。工程主要任務是發電。

本工程等別為中型Ⅲ等，主次要建筑物按3級設計，臨時建筑物按5級設計，水工建筑物結構安全級別為Ⅱ等。

水電站廠房為廠頂溢流式，布置在主河道上，主廠房上部結構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 計算區域和網格劃分

流體域分為水庫和溢流道兩個部分，水庫的長度設為800 m，溢流道為廠房上部結構的空腔，泄流區域為閘門開啟時不同高度空間和溢流道的總和。以六面體單元進行網格劃分，溢流道部分網格尺寸為0.5 m，水庫部分網格尺寸為20 m，在水庫水體與閘門開啟后的高度空間相接處進行網格細化，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

水庫水體的上表面設置靜水壓力入口，設置為大氣壓力入口，溢流道出口及上部部分區域設置為大氣壓力出口，溢流道的壁面設置為無滑移邊界條件[5]。流體域的初始條件如下：以閘門接觸水庫水體的表面為分界，整個水庫區域設置水體體積分數為1，表示該區域充滿水;閘門開啟后的空間及溢流道整體設置水體體積分數為0，表示該區域充滿空氣。因需要觀察水流在經過溢流道時的具體形態，將迭代步長設定為0.001 s，最后當計算時水流速度趨于穩定時停止計算[6-8]。

3 計算結果分析

3.1 不同開度下流速分析

閘門不同開度下，溢流道動水速度分布見圖2。由圖2可看出，在閘門開啟高度較小時，易在閘門后的空間以及直流段與反弧段相接處產生渦流，閘門開度為1 m時，在直線段末端水流的速度高達642 m/s。隨著閘門的不斷開啟，當閘門開度為6 m時，溢流道內整體的水流流速開始趨于穩態，溢流道內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，溢流道內的水流達到穩態，最大流速為513 m/s，低于閘門剛開啟時的最大流速，高于閘門開啟一半高度時的最大流速，最大流速同樣位于出口處的底端，這也是因為溢流道內末端挑坎的作用。

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，水庫水體急速涌入溢流道內，在閘門后產生較大的壓力，且在剛開啟時的狀態下水流速度相當大，容易引起閘門的激流振動。閘門剛開啟時水流進入溢流道的空間有限，水流在進入溢流道后也只能充滿一定空間，故最大側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，溢流道內的壓力相應減小，水流逐漸充滿整個溢流道，最大側面壓力逐漸由直線段與反弧段交接處過渡到末端挑坎處，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應。

4 結語

基于UG軟件建立了水庫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Fluent軟件計算分析了閘門不同開度下水流經過溢流道時的狀態。結果表明，在閘門瞬間開啟時水流的流速最大，且在溢流道內形成了渦流，閘門后以及直線段與反弧段交接處的側面壓力最大;隨著閘門開度的增大，水流對溢流道側面的壓力在閘門開啟過程中增大，最大側面壓力區域發生了變化，且最大側面壓力值在閘門完全開啟后降低，流速也穩定在一定數值，最大出口壓力始終位于出口底端。

參考文獻：

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

[2]曹偉，張運良，馬震岳，等.廠頂溢流式水電站廠房振動分析[J].水利學報，2007（9）：1090-1095.

[3]邵杰，李曉花，郭振江等.k-ω湍流模型在流動阻力數值模擬中的應用研究[J].青島大學學報（工程技術版），2016（1）：120-124.

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

[5]唐克東，王旭聲，孫留穎.不同開度時弧形閘門流固耦合數值模擬[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.上下游有壓過閘水流數值模擬[J].中國農村水利水電，2019（12）：118-123.

[8]趙強.平板閘門測流及流場研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2020：28.