閘站合建樞紐對渠道水流流態影響的數值模擬研究

周 迎，肖 瑜，張書花

（1.山東省水利勘測設計院,山東 濟南 250013；2.濟南市水利建筑勘測設計研究院有限公司,山東 濟南 250000）

1 前言

隨著我國工農業的迅速發展,當前很多灌區的渠道亟需更新改造來滿足灌溉排水需求,比如對渠道進行襯砌處理、斷面優化或者修建節制閘及泵站等措施。在渠道上分別布置閘門和泵站[1],經過多年的實際工程驗證,一般能保證渠道內進水條件良好、水流平順。但閘站分建布置占用土地的面積較大,其產生的社會問題包括拆遷、征地、安置移民等問題需要解決[2]；此外有時需要另外開挖引河,其工程投資將大大增加。為了減少閘站分別布置引發的一系列社會問題,現在普遍采用閘站合建樞紐的方式。由于閘站合建樞紐設置在渠道的同一斷面上,水流通過樞紐時,水閘和泵站各自單獨運行,過水斷面突縮和突擴,上下游水流很容易出現偏流、回流和橫向水流等不良流態,也會出現旋渦,以上這些不良流態會對渠道內的水流產生不利影響,造成渠道沖刷和泥沙淤積等問題,對渠道的安全運行有很嚴重的影響[3-4]。

近年來,計算機技術的飛速發展使得數值模擬在水利工程的應用越來越多,與物理模型驗證相比其耗費時間和資金需求較少,變更方案和工況參數方便,而且不受試驗條件、測量精度等客觀條件的限制,并且在邊界條件界定、模型構建和求解方法的選擇均正確的基礎上其計算結果符合物理實際規律[5-6]。本文借助商用軟件ANSYS Fluent對某閘站合建樞紐的水流運動進行數值模擬,揭示不同流量和樞紐體型對渠道中水流的影響規律。

2 模型的建立與網格劃分

2.1 模型建立

選取某閘站合建樞紐為研究對象,節制閘底板檻頂高程定為-0.50 m。啟閉機工作橋布置在閘首中部,寬4.5 m,長16 m,平臺高程13.0 m,啟閉機室樓梯間布置在節制閘東岸。泵站為雙向泵站,功能為排澇及從攔路港引水進行水資源調度。泵型為豎井式貫流泵,單泵流量10 m3/s,設計流量40 m3/s。水泵安裝高程-1.15 m。泵站垂直水流方向總寬27.6 m,順水流方向長29.0 m。采用GAMBIT進行建模,以閘門寬度為18 m為例,其模型見圖1。

圖1 閘站合建樞紐及渠道三維計算模型

2.2 網格剖分

在CFD進行求解時,對模型劃分的網格質量和計算是否準確密切相關。網格單元數較多時,計算結果的準確性能得到保證,但是計算量大,計算時間長；網格單元數較少時,計算結果產生較大偏差。此外網格的類型包括結構化網格和非結構化網格,結構化網格計算精度較高但劃分難度大,而非結構化網格幾何適應性較好,網格劃分簡便,但計算精度較結構化網格有所降低。因此,在計算時應合理的選擇網格的大小和類型。考慮閘站合建樞紐構造的復雜性較大,本文借助GAMBIT軟件對閘站合建樞紐模型進行非結構化網格劃分,在關鍵過流區域進行網格加密,經網格無關性分析確定網格單元數為300萬。 圖2為計算區域的網格剖分示意圖。

圖2 計算區域網格示意圖

3 流態評價指標

對于閘站合建工程,水閘和泵站一般都是各自運行,當水閘運行進行引水排澇工作時,由于水閘布置在渠岸的一側,過水斷面面積減小,上游水流在泵站前逐漸收縮并向閘門側集中,水流被擠壓,原本順直的水流流向出現彎曲；水流出閘后,右側渠道突擴,在渠道的右側很容易形成回流區,而且回流區的范圍較大,嚴重的最大寬度甚至能占到渠道寬度的一半,回流區在泵站側,很容易造成泥沙沉積在泵站前,對泵站的運行造成不利的影響。當水流的流量、閘門的寬度發生變化時,閘門對渠道水流的影響也會發生變化,引入動能修正系數 k 來研究相同水位條件下流量和閘門寬度變化對渠道水流的影響。

式中：vm為某一斷面水流的最大速度；v為這一斷面水流的平均速度；ε 為斷面的流速不均勻系數。

4 計算結果分析

4.1 流量變化對閘下渠道水流的影響

為分析不同流量變化對閘后水流的影響,在運行水位為3 m,閘門開度全開條件下,取不同的流量值進行分析,其流量分別取30 m3/s,50 m3/s,70 m3/s,90 m3/s,110 m3/s。為方便分析,將流量通過Q/bh2.5g0.5進行無量綱轉化為3.69×10-2,6.15×10-2,8.60×10-2,0.110,0.135。通過對每個流量下樞紐閘后的流場進行計算,采取直接觀測流速分布圖進行比對和分析動能修正系數變化兩者相結合的方法研究不同流量對流態的影響。

圖3～圖7分別為流量無量綱數取3.69×10-2,6.15×10-2,8.60×10-2,0.110,0.135的流速分布圖。從圖3中可以看出,水流通過閘門流出后,左側水流沿翼墻擴散較均勻平順,右側水流通過導流墻后,由于渠道突擴,在泵站前形成了一個將近占據渠道一半寬度的回流區,并蔓延至閘后100 m處。水流集中分布于閘門側的流道,且流速較大,在閘后60 m閘門側的渠道邊坡處開始出現主流脫壁現象,并逐漸形成明顯的回流區,而且回流區范圍較大,主要位于閘后60 m～100 m處。閘后120 m處水流在流道中的分布逐漸均勻。

圖3 流量無量綱數為3.69×10-2的流速分布圖

從圖4 中可以看出,在流量增加至50 m3/s時,整個渠道內的流速加大,渠道左側岸坡處出現的水流脫壁現象加劇,水流被擠壓至渠道中部,過水斷面面積減小；泵站側形成的漩渦區由于流速的增加被拉長至閘后120 m處,漩渦寬度的增加造成過水斷面的減小,水流直到閘后150 m處才開始趨于平順。

圖4 流量無量綱數為6.15×10-2的流速分布圖

從圖5中可以看出,在流量增加至70 m3/s時,整個渠道內的流速繼續加大,與圖4 對比,渠道左側岸坡處出現的脫壁現象減弱,泵站側形成的回流區的蔓延長度從閘后130 m縮短至閘后100 m。水流到達閘后110 m后逐漸平順均勻,相比流量為50 m3/s的工況提前了近40 m。圖6 和圖7 與圖5 呈現的規律相同,隨著流量的繼續增加,渠道內的流速加大,但是渠道左側岸坡處出現的脫壁現象和泵站側形成的回流區逐漸減小。

圖5 流量無量綱數為8.60×10-2的流速分布圖

圖7 流量無量綱數為0.135的流速分布圖

由以上5種流量的流速分布圖可以看出,隨著流量的增加,渠道左側岸坡處出現的脫壁現象和泵站前形成的回流區均加劇,閘后不良流態的存在距離也會延長,但是隨著流量繼續增加,由于水流的沖擊作用,渠道左側岸坡處出現的脫壁和泵站前形成的回流現象反而逐漸減弱,渠道內水流的不良流態的影響長度也逐漸縮短,當流量無量綱數取值6.15×10-2時閘下出流流態最差,閘后渠道內形成的回流區范圍最大,不良流態對渠道的影響長度最長。

為充分研究不同斷面的動能變化,在閘后50 m～290 m之間每間隔10m取一個特征斷面,合計25個特征斷面計算斷面ak值。將不同流量下不同斷面的ak值繪成折線圖,見圖8。從圖中可以看出,改變流量雖然增大了渠道內的流速,但對渠道內動能的影響并不是很大,換言之流量的改變對閘后水流流速分布均勻性的影響不大；在不同的流量下,閘后170 m處的斷面上動能均趨于平緩,可以認為閘后水流的不良流態主要位于閘后3.4 倍的渠道寬度以內。

圖8 不同流量不同特征斷面的動能變化圖

4.2 水閘寬度對閘下渠道水流的影響

為分析不同閘寬變化對閘后水流的影響,在運行水位為3 m、流量50 m3/s且閘門開度全開條件下,保持渠道總寬度不變,取不同閘寬進行分析,并將閘寬轉化為無量綱數,具體形式為閘寬比上渠道總寬度,閘寬無量綱數選擇0.4、0.5、0.6。通過對每個閘寬下樞紐閘后的流態進行計算,采取直接觀測流速分布圖進行比對和分析動能修正系數變化兩者相結合的方法研究不同流量對流態的影響。

圖9～圖11 分別為閘寬無量綱數取0.4、0.5和0.6的流速分布圖。從圖中可以看出,隨著閘寬的逐漸增加,泵站側形成回流區長度和寬度均隨之減小,同時渠道左側邊坡處的水流脫壁現象逐漸改善,閘后水流恢復平順均勻的距離也隨之縮短。總之,隨著水閘寬度無量綱數的增加,渠道中流態均勻性逐漸改善。

圖9 閘寬無量綱數為0.4的流速分布圖

圖10 閘寬無量綱數為0.5的流速分布

圖11 閘寬無量綱數為0.6的流速分布圖

為揭示不同閘寬比條件下不同特征斷面的動能的變化情況,同樣在閘后50 m～290 m之間每間隔10m取一個特征斷面,合計25個特征斷面計算斷面ak值,并將其繪制成折線圖,見圖12。從圖中可以看出,隨著閘寬的增加,ak不斷減小,說明隨著閘寬的增加,閘門對渠道中水流流態的影響逐漸減小。

圖12 不同閘寬比條件下不同特征斷面的動能變化圖

5 結論

基于N-S方程和湍流模型對布置有閘站合建樞紐的渠道建立了三維數學模型,通過CFD數值模擬軟件分別計算流量變化和樞紐體型改變對渠道水流的影響。隨流量的增加,渠道左側岸坡出現的水流脫壁現象均呈現先加劇后減弱的變化趨勢,水流對回流區的沖擊作用使得回流區范圍的減小；隨著水閘寬度的增加,水閘單獨運行時對閘下渠道水流的影響減弱,但是不能盲目的增大閘寬值,應根據實際工程情況而定。