邱 春，岳書波，劉承蘭

(1. 四川建筑職業(yè)技術學院，四川德陽 618000； 2. 四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川成都 610065)

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溢流堰表孔弧形閘門開啟過程非恒定流水力特性

邱 春1,2，岳書波2，劉承蘭1

(1. 四川建筑職業(yè)技術學院，四川德陽 618000； 2. 四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川成都 610065)

采用RNGκ-ε紊流模型結合動網格技術對某水利工程Y型寬尾墩泄洪表孔弧形閘門開啟過程進行了三維動態(tài)數值模擬研究。為了解閘門開啟過程中各相對開度的水力要素特性，采用6種不同的開啟總時間，給出各開啟總時間對應的閘后流速、壓強等水力要素對閘門開啟速度的依賴關系，并定義了反弧及消力池3個壓強分布區(qū)域。研究表明，閘門開啟總時間較小時，閘后水流的滯后效應明顯，各對應相對開度時閘后水面線偏低；開啟過程中溢流堰反弧處最大流速、沖擊區(qū)最大壓強等都會遠大于恒定情況時的對應值。沖擊區(qū)最大壓強及其與調節(jié)區(qū)平均壓強的差值隨開啟速度的增大迅速增加，且需經過較長時間才逐漸回到正常值。開啟速度較小時，各水力要素增加較為平緩。將閘后水面線等計算結果與試驗結果進行對比，吻合良好，驗證了數值方法的可靠性，可為類似水工閘門運行提供借鑒。

三維動態(tài)數值模擬； 開啟過程； 非恒定流； 動網格； 弧形閘門； 消力池

水工閘門是水利工程中擋水和控制流量的重要設備，由于閘門運行方式的不合理引起下游沖刷破壞的案例時有發(fā)生。因此了解閘門啟閉過程中水流水力特性，對于選擇合適的開啟速度，防止消能設施發(fā)生破壞有著重要意義。

水利工程中水流多為明流水氣二相流，其邊界條件及過程較復雜，給試驗數據測量帶來了較大困難，作為模型試驗的補充，直接動態(tài)數值模擬更容易獲得過程中各時刻水力要素特性。文獻[1]對蓄水池閘門開啟過程中水體流動進行了模擬，但和實際情況有一定偏差；文獻[2]對孔板泄洪洞事故閘門動水下門過程進行了試驗研究，并分析了中閘室噪音和振動的成因；文獻[3]對梯形渠道中閘門不同調控方式引起的非恒定流進行了數值模擬；文獻[4]用試驗方法研究了湖南鎮(zhèn)水電站閘門不同開啟組合下水舌擴散形態(tài)對下游的影響，并制定了最優(yōu)閘門開啟組合；文獻[5]通過模擬不同長度的單一渠段的非恒定流響應過程，認為渠段穩(wěn)定時間、水位變化速率與渠段運行方式有關；文獻[6]采用動網格技術對弧形閘門開啟過程數值模擬進行了初步探索。本文采用RNGk-ε雙方程紊流模型結合動網格技術對某水利工程溢流表孔Y型寬尾墩加消力池非恒定流進行了三維動態(tài)數值模擬，重點分析閘門開啟速度對非恒定流壓強等水力特性的影響，定義了反弧及消力池中3個壓強分布區(qū)域，并重點分析了3個區(qū)域的壓強滯后分布規(guī)律及可能對反弧和消力池底板造成的危害。分析表明文中所用方法對于一般小型灌區(qū)閘門啟閉同樣適用。

1 數學模型

RNGk-ε雙方程模型控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

采用有限體積法對上述方程進行離散，時間和空間均采用二階精度格式，壓力速度耦合采用壓力隱式算子分割法PISO算法。采用VOF法[7]捕捉自由水面，該方法的k-ε紊流模型方程(1～4)與單相流形式相同，但ρ和μ是體積分數的函數，可由下式表示：

ρ=αwρa+(1-αw)ρa

(5)

μ=αwμw+(1-αw)μa

(6)

式中：αw為水的體積分數；ρw和ρa分別水和氣的密度；μw和μa分別為水和氣的分子黏性系數。動網格模型用于描述邊界或流體內部物體的變形及運動，對于通量φ的積分形式的守恒方程如下：

第二種意見中，雇員可以向雇主主張賠償責任，也可向侵權第三人主張賠償責任。雇主承擔無過錯責任后，可向侵權第三人主張。根據雇主轉承責任的性質，雇主向第三人追償范圍，應以侵權第三人應承擔賠償范圍為限。因此，雇主與侵權第三人的責任承擔性質是對外連帶，對內按份的連帶責任。然而，在《侵權責任法》條文理解與適用中，雇主與侵權第三人承擔責任方式實質上是不真正連帶。想要確定此處的責任方式，應先弄清連帶責任與不真正連帶責任的區(qū)別。

(7)

2 計算區(qū)域網格劃分與條件設置

本文采用某實際工程溢流堰表孔單孔1∶50比尺建立計算區(qū)域(如圖1)，模型區(qū)域長6.32 m，寬0.4 m，高1.79 m；模型尾坎高0.2 m，弧形閘門寬0.3 m，半徑0.51 m，堰頂水頭H=0.4 m，模型坐標原點位于溢流堰中心線縱剖面與堰頂交匯處。采用Y型寬尾墩加消力池聯合消能工，類似工程恒定流研究[8-9]較多。本文對弧形門開啟過程閘門區(qū)、寬尾墩、消力池水體進行了整體模擬，閘門區(qū)域采用非結構網格，其余均為六面體結構網格，水氣交界面和關鍵部位網格進行了加密以準確捕捉自由水面。

庫區(qū)進口分為上下兩部分，下部為水流進口，利用自定義程序(UDF)來保證庫區(qū)水位不變，上部為空氣進口，均為壓力進口。庫區(qū)和溢洪道上部均為壓力進口，溢洪道出口為壓力出口，壁面采用無滑移邊界條件。文中共模擬了6種開啟角速度，對應的開啟總時間T分別為：3，10，15, 30, 60和120 s，為方便分析，文中分析時用開啟總時間T代替開啟速度。

為滿足閘門區(qū)網格快速變形的需要，動網格更新采用彈簧光順法和局部重構法，每5個時間步長更新一次網格。圖2給出了T=120 s時過程中各相對開度(e)對應的溢洪道中心線縱剖面閘門區(qū)網格圖，可見整個計算過程網格質量良好。閘門開啟速度由UDF控制，開啟時均為勻速開啟。

圖1 模型整體區(qū)域及部分尺寸(單位：m)Fig.1 Whole region and main size of a model (unit: m)

圖2 不同相對開度時閘門區(qū)中心線縱剖面網格 (T=120 s)Fig.2 Grids along middle section of a spillway under different opening (T=120 s)

3 閘后水流流態(tài)時空分析

圖3給出6種開啟總時間T時兩種相對開度的水面線。由圖3(a)可見，e=0.3時，T=3 s和10 s由于下泄流量滯后于閘門開啟速度，因此水面線在溢流壩反弧段明顯低于其他情況，e=0.5時，只有T=3 s對應的水面線明顯偏低，與反弧段最高水面相差達0.36 m，在消力池中相差約0.2 m。T>10 s時，各種情況的水面在溢流壩及反弧段均差別變小，但消力池中水面仍差別偏大，整個開啟過程中，以T=15 s與120 s為例，閘門開啟過程中消力池水面相差最大達0.1 m。在小開度時(e<0.3)，下泄水流較少，對消力池中水體影響也較小，水面橫向分布偏于平穩(wěn)，之后隨著下泄水流縱向拉開，其沖擊作用變強，池中水流紊動混摻逐漸變強，水面橫向出現較大波動。對于T=30，60和120 s時的水面在小開度時尚有差異，隨開度增大，水面波動增強，但差別變小。

由于開啟過程的非恒定性，流速和壓力的直接測量比較困難且存在很大不確定性。因此本文采用比較水面線的方法來驗證數模結果的可靠性。圖4分別給出了T=120 s過程中e=0.3及0.5兩種相對開度的水面線與實測結果比較，吻合良好，說明數模結果準確。

圖3 6種開啟總時間對應的兩種相對開度的溢流堰中線水面線Fig.3 Water surface profile along middle section of a spillway at e=0.3 and e=0.5 at six total opening times

圖4 溢流堰中線水面線對比Fig.4 Comparison of water surface profile along middle section of a spillway

圖5給出了過程中e=0.7時4種開啟總時間對應的溢流堰及消力池中線縱剖面速度等值線。可見4種情況的最大流速均出現在溢流堰反弧處，最大值為4.4，4.3，4.3和 4.2 m/s。研究結果表明，對于T較大的情況，隨e逐漸變大，流速變化較平穩(wěn)，最大流速也較小。

圖5 溢流堰中線縱剖面速度等值線Fig.5 Velocity distribution along middle section of a spillway

4 壓強時空變化特征

本文根據消力池底板所受壓強的特點，將壓強作用范圍分為3個區(qū)域：下泄水流直接沖擊區(qū)、緊隨其后的調節(jié)區(qū)及靜壓區(qū)。結果表明，6種開啟總時間，過程中靜壓區(qū)壓強分布比較均勻，說明下泄水流對此區(qū)的影響較小，水體相對平靜，以靜水壓力為主。

開啟時間T較小(T=3～15 s)，e也較小時，ΔP小于其他情況；隨著閘門開度的增大，ΔP迅速增大。當T=3 s時，ΔP最大達6 800 Pa，T=10 s時最大為4 100 Pa，而T>30 s時，ΔP明顯偏小，最大值僅為2 900 Pa左右?？梢姰旈_啟總時間T越大時，ΔP越小。

表1 反弧及消力池底板壓強

為更直觀地說明各種開啟總時間T時的沖擊區(qū)最大壓強變化情況，圖6給出了沖擊區(qū)最大壓強隨開啟時間的變化關系曲線。結合表1可知，T=3，10和15 s與其他開閘總時間T相比，在各對應相對開度時，其沖擊區(qū)最大壓強偏小，但閘門全開后會有一較大的壓強增長，且T越小，隨后的沖擊區(qū)最大壓強越大。由圖6可見，T=3 s時消力池底板在4 s時間內壓強由2 000 Pa增長到9 200 Pa，增幅非常大，此后經較長時間后壓強才會逐漸回落至正常值，開閘時必須避免這種情況。T>30 s時Pmax則隨時間逐漸增大至接近恒定狀態(tài)值。

圖6 反弧及消力池底板沖擊區(qū)最大壓強隨時間變化曲線Fig.6 Variation of maximum pressure on the floor of anti-arc and stilling basin with time

從圖6中可看出消力池底板所受的滯后最大壓強分布。當T=3 s時，閘門全開后由于滯后水流的沖擊，在前端沖擊區(qū)最大壓強達到9 200 Pa，緊隨其后的調節(jié)區(qū)壓強卻只有約2 400 Pa，壓差較大為6 800 Pa，消力池后部靜壓區(qū)壓強平均約為4 000 Pa。而對于另外兩種開啟總時間T的壓強差分別為4 100和3 600 Pa。

對于消力池而言，調節(jié)區(qū)是高速水流偏轉和急劇擴散的低壓區(qū)，一般來說此區(qū)域受到的時均動水壓強合力向上，也是消力池中最先失穩(wěn)的部位。

對于本文工程T≥30 s時過程中各水力要素值變化已偏于平穩(wěn)，與恒定情況時各對應開度的值相比差別較小；基本可以忽略滯后作用對水流的影響。結合文中的壓強分布規(guī)律，閘門開啟速度越大，沖擊區(qū)最大壓強與調節(jié)區(qū)平均壓強差值也越大，調節(jié)區(qū)消力池底板越容易發(fā)生破壞，在類似工程閘門運行時，除了要求下游消力池初始水深不能太低，實際操作中閘門開啟速度應以不出現較大的滯后動水沖擊壓強為宜，否則必須考慮壓差ΔP可能對反弧及消力池底板造成危害，并采取相應的防護措施。

表2為T=30 s時溢流堰中線縱剖面上兩測點(x=0.442和0.702 m)的數值模擬與實測壓強結果的對比，整個開啟過程中相對誤差最大約為6.8%，表明數模結果準確。

表2 數值模擬及模型試驗結果對比

5 結 語

采用6種不同的開啟速度，研究了堰上弧形閘門開啟速度對閘后水流的影響，給出水面線及流速隨開啟速度的定性變化關系。根據開啟過程中壓強分布特點，將反弧及消力池底板分為沖擊區(qū)、調節(jié)區(qū)及靜壓區(qū)3部分；指出開啟總時間越小，閘后水流的非恒定性越強；分析了消力池沖擊區(qū)最大動水壓強與開啟總時間的關系及其對底板可能造成的危害。

[1]朱仁慶, 楊松林, 王志東. 閘門開啟過程中水體流動的數值模擬[J]. 華東船舶工業(yè)學院學報, 1998, 12(3): 18- 21. (ZHU Ren-qing, YANG Song-lin, WANG Zhi-dong. Numerical simulation of water flowing during opening of flood gate[J]. Journal of East China Shipbuilding Institute, 1998, 12(3): 18- 21. (in Chinese))

[2] WANG Wei, YANG Yong-quan, XU Wei-lin, et al. Experimental investigation of emergency gate shutting for orifice tunnel[J]. Journal of Hydrodynamics, 2002(3): 29- 34.

[3]韓宇， 呂宏興， 余國安. 兩種運行方式下灌溉渠道的非恒定流數值模擬[J]. 長江科學院院報， 2010， 27(3): 29- 33. (HAN Yu, LV Hong-xing, YU Guo-an. Numerical simulation of unsteady flow in irrigation canals with two operation modes[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2010, 27(3): 29- 33. (in Chinese))

[4]王均星, 陳曉勇, 尹浩, 等. 湖南鎮(zhèn)水電站水工模型試驗研究[J]. 水力發(fā)電學報， 2008, 27(5): 103- 108. (WANG Jun-xing, CHEN Xiao-yong, YIN Hao, et al. Study on the hydraulic model tests of Hunanzhen hydropower station[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2008, 27(5): 103- 108. (in Chinese))

[5]范杰， 王長德, 管光華, 等. 渠道非恒定流水力學響應研究[J]. 水科學進展, 2006, 17(1): 55- 60. (FAN Jie, WANG Chang-de, GUAN Guang-hua, et al. Study on the hydraulic reaction of unsteady flows in open channel [J]. Advances in Water Science, 2006, 17(1): 55- 60. (in Chinese))

[6]邱春， 刁明軍， 徐蘭蘭. 溢流堰表孔弧形閘門開啟過程水力特性3維數值模擬[J]. 四川大學學報: 工程科學版， 2012, 44(3)： 19- 25. (QIU Chun, DIAO Ming-jun, XU Lan-lan. 3-D numerical simulation of hydraulic characteristics during the opening process of radial gate for overflow weir[J]. Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition), 2012, 44(3): 19- 25. (in Chinese))

[7] HIRT C W, NICHOLS B D. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundary[J]. Journal of Computational Physics, 1981, 39(1): 201- 225.

[8]倪漢根. 寬尾墩-消力池的簡化計算方法[J]. 水利學報， 1998(6): 19- 24. (NI Han-gen. A simplified hydraulic calculation method for flaring gate pier-stilling basin[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1998(6): 19- 24. (in Chinese))

[9]葛旭峰， 王長新， 李琳. 陡坡后消力池內水躍的數值模擬[J]. 水利水運工程學報， 2012(3)： 70- 74. (GE Xu-feng, WANG Chang-xin, LI Lin. Turbulence model of hydraulic jump in a post-steep plunge pool[J]. Hydro-Science and Engineering, 2012(3): 70- 74. (in Chinese))

Analysis of hydraulic characteristics of unsteady flow duringopening of radial gate located on overflow weir

QIU Chun1, 2, YUE Shu-bo2, LIU Cheng-lan1

(1.SichuanCollegeofArchitectureTechnology,Deyang618000,China; 2.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)

The RNGκ-εturbulent model and dynamic mesh technology were applied to simulation of the unsteady flow of the flaring gate pier and the stilling basin during the radial gate opening. Six different total opening times were used to achieve the detailed hydraulic properties of different opening velocities. The opening velocities of the radial gate were homogeneous of every total opening time. The relationships between the opening velocities and pressures, flow velocities and other hydraulic characteristics were obtained by using six corresponding total opening times. Hysteresis effect was apparent while the total opening time was relatively small, and a water surface profile corresponding to different relative openings was also lower than those of other total opening times. The maximum flow velocity appeared at the ogee section of the overflow weir at the opening process no matter which total opening time was. The maximum velocity and the pressure on the impact region were much larger than the corresponding value at a constant situation. The slab of the ogee section and stilling basin was divided into three regions according to the distribution of pressurs; the relationships between the maximum pressure and the opening velocity was obtained. The velocities and the maximum pressure on the impact region in the stilling basin were much higher than those corresponding to the constant conditions while the opening velocities were relatively lower. The maximum pressure and differences between the maximum pressure on the impact region and an average pressure of the adjusting region increased with the increasing of the opening velocities, and fell to a normal value after long time. A gentle increase in pressures and other hydraulic characteristics would appear under the lower opening velocities. The water surface profile and other results of numerical simulation were in good agreement with the model test data, which shows that the numerical method is reliable. The analysis results can provide an important basis for operation of the similar radial gate located on the hydroproject.

3-D dynamical numerical simulation; opening process; unsteady flow; dynamic mesh; radial gate; stilling basin

10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.06.006

邱春， 岳書波， 劉承蘭. 溢流堰表孔弧形閘門開啟過程非恒定流水力特性[J]. 水利水運工程學報, 2015(6): 40-46. (QIU Chun, YUE Shu-bo, LIU Cheng-lan. Analysis of hydraulic characteristics of unsteady flow during opening of radial gate located on overflow weir[J]. Hydro-Science and Engineering, 2015(6): 40-46.)

2015-03-05

德陽市重點科學技術研究項目(2014ZZ095-3)

邱 春(1976—)，男， 江蘇徐州人，工程師，博士，主要從事工程水力學研究。E-mail: qiu3216@163.com

TV663+2

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1009-640X(2015)06-0040-07