山東水利工程泄洪閘泄流水力特性的模擬研究

馬曉莉

(山東省德州市德州市陵城區(qū)禹興水利建筑工程有限公司機械分公司，山東 德州 253500)

0 引 言

改革開放以來，大量水利工程的興建對河道下游地區(qū)的防汛、泄洪等起到了重要作用，南水北調(diào)等大型水利工程為中國干旱、缺水地區(qū)帶來了很多的便利[1-3]。在水利工程的建設(shè)及使用階段，泄流設(shè)施的選擇及其泄流特點是水利工程研究的重點之一[4]，泄洪閘由于可以在動水中自由開閉閘門并且可以有效的調(diào)節(jié)泄洪量而被廣泛的應(yīng)用于水利設(shè)施中[5-7]。泄流建筑下游的泄流過程由于空氣的摻入變得十分復(fù)雜，泄流速度過快也會影響下游水利設(shè)施的正常運行，為防止下游建筑的破壞，需要針對不同的工程采取不同的下游泄洪消能措施[8]，研究泄流建筑的泄流特性對泄洪消能措施的選擇具有重要的意義。

根甘肅某水利工程泄洪閘在solidwork中建立幾何模型，利用ANSYS內(nèi)置模塊進行網(wǎng)格劃分及泄流模擬，將模擬結(jié)果與現(xiàn)有試驗結(jié)果作對比，驗證模擬結(jié)果的可靠性，進一步闡述該泄洪閘的泄流特性及泄流能力，針對泄洪閘結(jié)構(gòu)設(shè)計部分給出相關(guān)的工程建議，以確保泄洪閘下游水利建筑的安全性。

1 工程概況及數(shù)值模型

某水利工程下游的消能方式為低流消能，組成水電站的主要結(jié)構(gòu)有：擋水壩段、泄洪閘、土石壩以及廠房壩段等。水電站工程等級為中型三等，水利樞紐的主要建筑物、次要建筑物、臨時建筑物級別為3級、4級、5級。水電站機組容量63MW，最高水頭為150m，正常蓄水位為1595m。

泄洪閘設(shè)置在河床的右側(cè)，設(shè)有5孔，孔口寬20m，每孔都分別設(shè)有一道檢修門和工作門，孔口尺寸均為20m×12m，閘門頂部高程為1600m，底板高程為1584m。泄洪閘中軸線橫斷面，見圖1。

圖1 泄洪閘中軸線橫斷面

模型左側(cè)為水流及空氣進口，設(shè)置為速度進口；右側(cè)為壓力出口邊界，出口邊界面與水流方向垂直；由于模型近壁面處的水流會變?yōu)閷恿鳎虼死肍luent軟件設(shè)置邊界條件時需要選擇壁面函數(shù)法來處理壁面邊界，這樣就避免了近壁面處網(wǎng)格加密的繁瑣，增加了計算效率；在模擬時采用VOF法對自由水面進行追蹤，該方法假定計算過程中的水、空氣不相互交換質(zhì)量，2種流體僅在各自計算單元內(nèi)發(fā)生形態(tài)的變化。

為討論泄洪閘的尺寸、形式是否合理，設(shè)計洪水位以及校核洪水位兩個工況的泄流模擬結(jié)果均需要納入考慮。工況相關(guān)參數(shù)，見表1。

表1 工況相關(guān)參數(shù)

2 計算方法

采用標準k-ε湍流模型進行湍流場的模擬計算時，控制方程如下，其中，式(1)為k方程，式(2)為ε方程。

(1)

(2)

式中：k為湍流動能，J；ui為時均速度，m/s，i=1，2，3；μ為湍流動力黏度系數(shù)，Pags；ρ為流體密度，kg/m3；ε為湍動耗散率；σk、σε、C1ε、C2ε、Gk均為閉合系數(shù)。

為方便后續(xù)方程的離散，將上述兩個方程合并為一個方程如下：

(3)

采用有限體積法對k-ε湍流模型控制方程(3)進行離散，得到：

(4)

式中：α、αa為計算控制體的線性化系數(shù)、相鄰控制體的線性化系數(shù)；φ、φa計算控制體任意參數(shù)、相鄰控制體任意參數(shù)。

利用有限元軟件模擬的具體步驟如下：①運用solidwork軟件進行集合模型的建立；②將集合模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進行流體區(qū)域的網(wǎng)格劃分，共劃分為4949430個網(wǎng)格單元，模型共有865460個節(jié)點；③在Workbench中鏈接Fluent有限元模擬軟件進行邊界條件的設(shè)置以及不同工況的數(shù)值模擬。

3 計算結(jié)果

3.1 泄流量

泄流量對比，見表1。2個工況的實測、計算值誤差很小，均在5%以內(nèi)，因此可以說明標準k-ε湍流模型的計算方法適用于該泄洪閘，F(xiàn)luent軟件中對邊界條件的設(shè)置也滿足該模型的模擬需求。實測值與計算值產(chǎn)生誤差的主要原因是：實際物理模型試驗中，外界條件會發(fā)生變化，導(dǎo)致進口流體的流速、空氣密度等發(fā)生改變，但有限元軟件模擬時，整個計算過程中的外界環(huán)境以及邊界條件均不會發(fā)生改變。

表2 泄流量對比

3.2 水氣交界面

實際物理模型試驗中，真實的水氣交界面由于泄流的復(fù)雜性而難以捕捉到，因此在選擇對比的試驗結(jié)果時，僅對物理模型中的幾個關(guān)鍵節(jié)點進行水氣交界面監(jiān)測，為方便對比，數(shù)值模擬結(jié)果同樣選取位置相同的監(jiān)測點，并檢測體積分數(shù)為50%的水氣交界面位置。水氣交界面位置，見圖2。

由圖2可知，2個工況計算所得水氣交界面在閘室上游比較平穩(wěn)；進入閘室后，由于過流橫截面突降，閘室內(nèi)的水氣交界面也隨之突降；由于泄洪閘內(nèi)的泄流量不變，因此在閘室內(nèi)會出現(xiàn)水位雍高的現(xiàn)象，水氣交界面逐漸增高；流體進入消力池后，水氣交界面位置逐漸增高；當流體經(jīng)過鋼筋防護段時，由于防護籠對水流有一定的阻擋作用，因此水氣交界面開始逐漸降低，這時流體即將到達泄洪閘出口，在出口處水流會出現(xiàn)急流現(xiàn)象，急流同樣會使接近出口的流體水氣交界面降低。

(a)校核工況

(b)設(shè)計工況

圖2中2個工況水氣交界面在各個位置的發(fā)展規(guī)律基本相同，但由于校核水位比設(shè)計水位高，所以水氣交界面突降值也比設(shè)計工況大。在校核水位下，實測值普遍>計算值，在設(shè)計水位下，實測值普遍略<計算值，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：開展物理模型試驗時，2個工況不能同時進行，而不同時間進行試驗外界環(huán)境會發(fā)生改變，因此會影響到測量結(jié)果的誤差。但從圖中可以看到，2個工況的實測值與計算值相差不大，驗證了該泄洪閘模型的可靠性。

3.3 壓強

為了防止泄洪閘在工作時，底板壓力出現(xiàn)負壓或壓強極小而導(dǎo)致空化等現(xiàn)象的發(fā)生，在試驗中對部分節(jié)點進行壓強的檢測，在泄洪閘模型上分別設(shè)置15個壓強監(jiān)測點。壓強監(jiān)測點位置，見圖3。

壓強發(fā)展規(guī)律圖，見圖4。由圖4可知，兩個工況的壓強發(fā)展規(guī)律相同：①在水流進入閘室之前都處于比較平穩(wěn)的狀態(tài)；②進入閘室后，由于水氣交界面的突降，導(dǎo)致閘室底板的壓強也發(fā)生突降；③在消力池中，由于水位雍高，水氣交界面位置增高，導(dǎo)致壓強增大；④在消力池內(nèi)，壓強發(fā)展平穩(wěn)；⑤當流體脫離消力池時，水流受到消力坎的作用而流動緩慢，導(dǎo)致流體壓強突降；⑥流體流出消力池后，壓強發(fā)展趨于平穩(wěn)。

圖3 壓強監(jiān)測點位置

2個工況計算結(jié)果中，壓強均為正并且沒有出現(xiàn)壓強極小的現(xiàn)象，可以說明該泄洪閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計比較合理，消力池的存在有效的避免了壓強持續(xù)突增現(xiàn)象。圖4中，兩個工況的實測值與計算值相差不大，再一次驗證了計算方法及模型的可靠性。

(a)校核工況

(b)設(shè)計工況

3.4 流速

對3個關(guān)鍵截面進行流體流速的監(jiān)測，校核工況截面流速分布，見圖5；校核工況截面流速分布，見圖6。2個工況相同截面的流速分布特征相似：0+033.5截面位于閘室末端、消力池的前端，0+071.5截面位于消力池末端，因此0+71.5截面經(jīng)過消力池的消能作用后，最大流速明顯<0+033.5截面，并且水流更加趨于平穩(wěn)狀態(tài)，說明該泄洪閘消力池的消能作用明顯，存在價值高；在0+150.0截面處，最大流速由于水氣交界面的降低而增大，說明雖然消力池的存在能有效地消減一部分能量，但是水流脫離消力池后仍有余能存在。

圖中可以得到，2個工況的3個截面實測值與計算值相差不大，但在0+033.5截面處的誤差最明顯，主要原因是：該截面位于泄洪閘閘室末端，此時水流開始進入消力池，截面尺寸發(fā)生改變，消力池開始對流體產(chǎn)生作用，導(dǎo)致該處的泄流狀態(tài)比較復(fù)雜，物理模型在實際試驗中將所有外界條件的改變都納入考慮，而數(shù)值模型模擬時，不能完全貼合實際情況，因此此處的誤差相對較大，但在可控范圍內(nèi)，又一次驗證了數(shù)值模型模擬結(jié)果的可靠性。

(a)0+033.5截面

(b)0+071.5截面

(c)0+150.0截面

(a)0+033.5截面

(b)0+071.5截面

(c)0+150.0截面

4 結(jié) 論

以某三級水電站泄洪閘為研究對象，利用solidwork建立泄洪閘模型，運用ANSYS有限元軟件中的不同模塊進行網(wǎng)格的劃分以及泄洪閘泄流的模擬，并與試驗結(jié)果作對比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模型的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果相符，驗證了模擬結(jié)果的可靠性；在泄洪閘工作時，閘室入口因截面改變，所有監(jiān)測參數(shù)均發(fā)生突變，消力池內(nèi)流體流動平穩(wěn)，接近泄洪閘出口的位置由于急流現(xiàn)象而造成各監(jiān)測參數(shù)二次突變。

該泄洪閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計比較合理，消力池的存在有效的消減了一部分能量，但流體流出消力池后仍有余能的存在，因此建議加強在下游處加大鋼筋防護籠的長度與強度，避免余能對下游建筑造成破壞。