基于室內(nèi)試驗(yàn)水閘開度對(duì)水流特性影響分析

方晨蕾，葛曉偉，王 芳，董詩媛

（1.高郵市水利綜合服務(wù)中心，江蘇 高郵 225600；2.高郵市水利局臨澤水利站，江蘇 高郵 225600）

水閘是建在河道、渠道及水庫、湖泊岸邊具有擋水和泄水功能的低水頭水工建筑物，對(duì)攔洪、擋潮、沖沙、取水或下游流量調(diào)節(jié)具有重要作用[1-3]。在水閘的水力參數(shù)設(shè)計(jì)中，流量設(shè)計(jì)十分重要，合理控制水閘開度不僅可以使水閘下游流量均勻分布，還可以防止兩岸和河床的水土流失[4，5]。

孫海超[6]在理論上分析推導(dǎo)了起推水位偏差對(duì)水面線的影響范圍，推算了閘下水位流量關(guān)系；迮振榮等[7]分析了影響平原河網(wǎng)地區(qū)感潮河段水閘下泄流量的成因，并通過成因分析研究了提高水閘流量控制方法；周全等[8]介紹了在線監(jiān)測(cè)、水文水動(dòng)力學(xué)模型、水力學(xué)及多元回歸法過流公式3 種水閘流量計(jì)算方法，并計(jì)算了上海市浦東新區(qū)典型閘門流量過程；邢端生[9]以粵東某水閘為例，在分析流域產(chǎn)匯流特性基礎(chǔ)上，分別用廣東省綜合單位法和平均排除法計(jì)算山區(qū)和平原面積的設(shè)計(jì)流量；孟健[10]以水閘不同啟閉情況下的實(shí)測(cè)過閘流量為依據(jù)，結(jié)合水閘自身特性與水力學(xué)相關(guān)理論，探求可操作性的過閘流量推求方案；劉鵬等[11]對(duì)黃埔涌水閘正常和特殊設(shè)計(jì)工況過流流量進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，分析了幾種工況下閘門運(yùn)行時(shí)開度與流量之間的關(guān)系。

本文通過水閘開度控制流量大小，采用Fluent數(shù)值模擬方法，引入能量耗散和流動(dòng)阻力，分析對(duì)比了不同閘門開度下RNG k-ε、RNG k-ω 和RSM 湍流模型對(duì)流體速度分布和能量系數(shù)的影響，并通過室內(nèi)水閘試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比，研究結(jié)果可為相關(guān)工程提供參考。

1 室內(nèi)試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在國內(nèi)某大學(xué)水力實(shí)驗(yàn)室水槽上進(jìn)行，水槽為玻璃墻和鋼底，尺寸為8 m×30 cm×50 cm（長(zhǎng)×寬×深），水閘位于距離上游端4 m 處。流量由入口管上的閘門進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過放置在渠尾的V 形缺口堰進(jìn)行測(cè)量。下游尾水深度由水槽尾部的閘門固定，有機(jī)玻璃門矩形門寬5 mm，采用精度為±0.5 mm的點(diǎn)式水位計(jì)測(cè)量水位。使用Nortek 的Vectrino 聲學(xué)多普勒測(cè)速儀測(cè)量流速，輸出采樣頻率為25 Hz，測(cè)量記錄時(shí)間為40 s，通過分析平均瞬時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算湍流特性。試驗(yàn)裝置，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算方案

數(shù)值分析采用非穩(wěn)態(tài)條件下雷諾平均Navier-Stockes 方程求解，可在70 s 的模擬時(shí)間內(nèi)求出一個(gè)恒定的解，相比穩(wěn)態(tài)計(jì)算，更具有時(shí)效性。計(jì)算時(shí)，采用SIMPLE 算法獲得壓力場(chǎng)，并采用PRESTO 框架將壓力離散化，其他方程采用二階離散格式，參數(shù)由Fluent Default 值給出。此外，湍流模型采用了3 種計(jì)算公式即RNG k-ε、RNG k-ω 和RSM，同時(shí)為了跟蹤自由表面，使用了基于VOF 公式的流體體積模型。在整個(gè)計(jì)算域中，考慮了水和空氣兩相狀態(tài)，流體的性質(zhì)也被考慮在內(nèi)，RANS 和連續(xù)性方程采用流體特性的體積分?jǐn)?shù)平均值求解。

淹沒流二維RANS模擬的域和邊界條件，如圖2所示。試驗(yàn)在淹沒流中進(jìn)行，總水頭H0為0.3 m，閘門開度W為0.03～0.24 cm，下游水位h2為0.20～0.27 cm，相對(duì)閘門開度a=W/H0，淹沒度s=h2/H0，x為閘門距離上下游的距離。

圖2 淹沒流二維RANS模擬的域和邊界條件

2.2 數(shù)值網(wǎng)格

數(shù)值模型二維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格通過Gambit 生成，尺寸為6 m×0.4 m，閘門距離下游邊界3 m 處為水平橫坐標(biāo)的原點(diǎn)。相對(duì)閘門開度a為0.1～0.8，創(chuàng)建了8 個(gè)不同的網(wǎng)格。網(wǎng)格在墻邊界（底部和水閘）附近和自由表面區(qū)域被細(xì)化。構(gòu)建網(wǎng)格是為了驗(yàn)證閘門到墻的無量綱距離在12＜y+＜250的范圍內(nèi)。

2.3 邊界條件

邊界條件和初始值，如圖2 所示。水和空氣在上游端以2 種速度條件分別注入，空氣速度不敏感且等于零。假設(shè)水流速度呈指數(shù)分布，其公式為：

式中：U(y)為水流速度（m/s）；γ為形狀系數(shù)，根據(jù)從明渠中觀察到的標(biāo)準(zhǔn)值取0.1；U0為進(jìn)水口處的平均流速（m/s）；y為水流垂直位置（m）；h0為河道深度（m）。

第一次計(jì)算采用Garbrecht 流量方程確定流量和平均速度，以細(xì)化自由表面的網(wǎng)格，并在下游端固定靜水壓力出口。

3 結(jié)果分析

3.1 剖面速度分析

閘門小開口（a=0.2 和s=0.8，x=-5，-2，2，5，10）時(shí)的流速分布，如圖3所示。

圖3 閘門小開口時(shí)的流速分布

從圖3可以看出，與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，RSM 和RNG k-ε湍流模型能夠很好地模擬出水流實(shí)際速度分布情況，而標(biāo)準(zhǔn)RNG k-ω 模型通常適用于射流模擬，在收縮射流上的模擬效果最差。

閘門大開口（a=0.7 和s=0.9，x=-1，-0.5，1，2，3）時(shí)的流速分布，如圖4所示。

圖4 閘門大開口時(shí)的流速分布

從圖4 可以看出，在閘門大開度下，除閘門和收縮段之間存在射流外，所有RANS 模擬結(jié)果與試驗(yàn)一致。RSM 和RNG k-ε 湍流模型的結(jié)果非常相似，而RNG k-ω 模型計(jì)算出的結(jié)果與試驗(yàn)有很大偏差。在閘門上游，由于存在二維模擬未模擬出的再循環(huán)區(qū)，所以模擬出的縱向速度略低。模擬結(jié)果表明，靠近收縮截面的混合區(qū)域的流速略有增加，這與僅在x=1 處的試驗(yàn)相同，其誤差可能是由于湍流模型和橫向流速分布不均勻造成的。盡管如此，從試驗(yàn)和數(shù)值方法推導(dǎo)出的收縮系數(shù)非常接近，對(duì)于所有淹沒比而言，小開口閘門的水流可以認(rèn)為是射流，而大開口閘門下的流速分布在收縮斷面中更不均勻。

3.2 能量修正系數(shù)分析

通過對(duì)流速的估計(jì)結(jié)果可以計(jì)算動(dòng)能和動(dòng)量系數(shù)。淹沒條件s=0.9 時(shí)能量修正系數(shù)α變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 s=0.9時(shí)能量修正系數(shù)α變化規(guī)律

從圖5可以看出，α的最小值對(duì)應(yīng)于縱向流速分布（邊界層除外）最均勻處，同時(shí)與閘門開度有明顯相關(guān)性，其大約為閘門開度的2～4倍。在下游部分，收縮段的α值在1.02～1.03，動(dòng)量系數(shù)的平均值為1.02（閘門上游）和1.015（閘門下游）。上游水池和收縮段之間的水頭損失約為總水頭的1%，主要是由于邊界層中的高流速梯度引起的。

4 結(jié)論

本文為分析不同水閘開度對(duì)水流特性的影響，采用Fluent 數(shù)值模擬方法，引入能量耗散和流動(dòng)阻力，分析對(duì)比了不同閘門開度下RNG k-ε、RNG k-ω和RSM 湍流模型對(duì)流體速度分布和能量系數(shù)的影響，并通過室內(nèi)水閘試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比，結(jié)論如下。

（1）當(dāng)閘門為小開口時(shí)，RSM 和RNG k-ε 湍流模型能夠很好地模擬出水流實(shí)際速度分布情況，而標(biāo)準(zhǔn)RNG k-ω 模型通常適用于射流模擬，在收縮射流上的模擬效果最差。

（2）在閘門大開度下，除閘門和收縮段之間存在射流外，所有RANS 模擬結(jié)果與試驗(yàn)一致。RSM 和RNG k-ε 湍流模型的結(jié)果非常相似，而RNG k-ω 模型計(jì)算出的結(jié)果與試驗(yàn)有很大偏差。

（3）對(duì)于所有淹沒比，小開口閘門的水流可以認(rèn)為是射流，而大開口閘門下的流速分布在收縮斷面中更不均勻。