郭彩華，張 勇，宋曉曄

(太原理工大學(xué) a.水利科學(xué)與工程學(xué)院，b.教務(wù)處，c.環(huán)境工程學(xué)院，太原 030024)

下土寨分水閘不同開度下的三維水深模擬

郭彩華a，張 勇b，宋曉曄c

(太原理工大學(xué) a.水利科學(xué)與工程學(xué)院，b.教務(wù)處，c.環(huán)境工程學(xué)院，太原 030024)

結(jié)合工程實(shí)際建立了下土寨分水閘三維造型,根據(jù)水力學(xué)理論進(jìn)行相關(guān)邊界條件設(shè)定，同時(shí)對不同來流條件及閘門開度下的下土寨分水閘流場進(jìn)行三維流動水深模擬分析。結(jié)果表明，三種工況下水深的模擬結(jié)果與相關(guān)資料吻合度均符合工程要求，后兩個(gè)工況結(jié)果有部分出入的主要原因是模型建立時(shí)對分水閘前后延伸的距離簡化所致。該模型的求解可為該工程段的設(shè)計(jì)提供理論參考,也可為類似的工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

下土寨;分水閘;三維構(gòu)造;閘后水深

水資源特有的時(shí)空分布促使國內(nèi)外眾多跨流域、跨地區(qū)的大型引水工程建設(shè)和運(yùn)行。繼“中央河谷工程”和“雪山工程”等國外典型水利工程的成功運(yùn)行之后,我國的“南水北調(diào)工程”和“萬家寨引黃工程”等引水工程也在我國的國民經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中逐步開始發(fā)揮重要作用[1-3]。通過閘門啟閉來控制水位和流量,是實(shí)現(xiàn)河道、水庫等引水工程對來流進(jìn)行調(diào)度的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的不斷提高,對水利工程進(jìn)行智能化分析已成為水利工程領(lǐng)域的重要研究手段[4-5]。由于分水閘啟閉形式的復(fù)雜多變性及實(shí)際運(yùn)行工況的不確定性,數(shù)值模擬對此類問題的研究逐漸受到重視[6]。筆者結(jié)合萬家寨引黃工程概況,依托相關(guān)水力學(xué)理論對下土寨分水閘進(jìn)行建模,并通過閘后水深的計(jì)算分析對模型進(jìn)行驗(yàn)證,旨在為類似工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

下土寨分水閘位于萬家寨引黃工程總干線、南干線、北干線的交匯處,也是北干線首部建筑物。分水閘設(shè)有南干線及北干線兩孔閘。北干閘室閘孔尺寸3.8 m×4.2 m(寬×高),閘底板高程1 283.23 m。閘后接北干1號隧洞。分水閘南干閘室閘孔尺寸4.0 m×4.2 m(寬×高),閘底板高程1 282.95 m,后接南干隧洞。分水閘水平投影及流場剖面位置示意圖如圖1所示。

圖1 分水閘水平投影及流場剖面位置示意圖

2 模型建立

2.1 分水閘模型構(gòu)建

分水閘的三維造型及邊界條件設(shè)定見圖2。三維模型利用GAMBIT建造,網(wǎng)格采用適應(yīng)性好的四面體網(wǎng)格,數(shù)目為15萬。在總干線上游隧洞前加一段引入段,用以保證水流可以平穩(wěn)地流入分水閘區(qū),從而與實(shí)際情況相符。同時(shí)在引入段的最前端加一堰池,用以設(shè)定水流的入流邊界條件。同時(shí)在南干線與北干線下游各加一堰池,用以設(shè)定水流出流邊界條件,南干線出口面積10 m2,北干線出口面積9.5 m2。

圖2 分水閘的三維造型

2.2 分水閘模型求解

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε粘性模型,因上部有氣液交界面,對自由液面的描述采用VOF模型。計(jì)算采用非定常模型,采用PISO算法進(jìn)行計(jì)算。總干線引入段最前端的堰池邊界給為壓力進(jìn)口邊界,介質(zhì)為水。壓力進(jìn)口邊界需要給定進(jìn)口的總壓,具體數(shù)值根據(jù)總干線的流量與水深計(jì)算確定，如下式：

南北干線下游堰池邊界給為速度進(jìn)口邊界,介質(zhì)為水。由于此處為出流邊界,所以給定的速度值為負(fù)值,具體數(shù)值根據(jù)南干線與北干線的流量分別計(jì)算確定。將閘室的頂部設(shè)為空氣出流邊界,該邊界給為壓力出口邊界,介質(zhì)為空氣。設(shè)定其相對大氣壓力為零。對以下三種情況進(jìn)行計(jì)算如表1所示。以上3種工況的邊界條件設(shè)置具體如表2。

表1 工況列表

表2 各工況的邊界條件

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在上游壓力進(jìn)口邊界的流量、下游速度進(jìn)口邊界的壓力穩(wěn)定后,即可認(rèn)為流場接近于長時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定狀態(tài),可用于各問題的分析。試驗(yàn)結(jié)果主要對各工況穩(wěn)定狀態(tài)下的液面高程云圖和干線水深校核圖進(jìn)行分析。

3.1 不同工況的液面高程云圖

對模擬結(jié)果進(jìn)行后處理得到不同工況的液面高程云圖如圖3所示。圖中Z為高程(m)。

從以上結(jié)果可以看出,工況(一)整個(gè)流場比較平順,總干線和南干線計(jì)算水深也與資料所給的數(shù)值較接近。工況(二)南干線部分流場比較平順。北干線部分由于閘門開度很小,在閘門上游產(chǎn)生了明顯的回流,閘門上下游水位差較大,因此水流經(jīng)過閘門后速度較大,在進(jìn)入北干消力池時(shí)出現(xiàn)了水躍。工況(三)整個(gè)流場都比較平順,由于北干線閘門開度較大,整個(gè)流場平穩(wěn)后,閘門沒有閘入水中,因此對流場的沒有干擾。

3.2 不同工況的干線水深校核圖

對模擬結(jié)果進(jìn)行后處理得到不同工況的干線水深校核圖如圖4所示。

圖3 不同工況的液面高程云圖

圖4 不同工況的干線水深校核結(jié)果圖

從以上結(jié)果可以看出,工況(一)的總干線與南干線閘上水深與資料所給的數(shù)值最為接近;工況(二)總干線與北干線閘上水深與資料所給的數(shù)值比較接近,其余位置水深有一定的差距。工況(三)水深與資料所給的數(shù)值有一定差別?？紤]原因是由于在進(jìn)行CFD計(jì)算時(shí),考慮到計(jì)算量,對分水閘前后延伸的距離不長,與實(shí)際情況不太吻合,同時(shí)所給的資料中并未提及在實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)時(shí)具體的邊界條件,邊界條件會對CFD計(jì)算的結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

4 結(jié)論

1) 3種工況下的液面高程云圖均符合實(shí)際液體流動規(guī)律,對比模擬水深值與實(shí)際水深值可以看出誤差均在允許范圍內(nèi),說明該模型的建立和求解是合理的,可用于其它水力要素的參考分析。

2) 通過模擬發(fā)現(xiàn)，工況(一)的流場最為平穩(wěn)，工況(二)和工況(三)出現(xiàn)的水流回流導(dǎo)致水位雍高并產(chǎn)生水躍等水力學(xué)現(xiàn)象,在工程運(yùn)行過程中應(yīng)予以重視。

3) 對于其他運(yùn)行工況,可通過數(shù)值模擬結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方法進(jìn)行進(jìn)一步分析探討,從而掌握流量-開度-水位之間的關(guān)系。

本文的研究成果可為工程運(yùn)行提供參考依據(jù),也可為類似工程提供參考借鑒。

[1] 穆祥鵬,練繼建,劉瀚和.復(fù)雜輸水系統(tǒng)水力過渡的數(shù)值方法比較及適用性分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2008,41(5):515-520.

[2] 吳衛(wèi),季永興,王瑟瀾,等.蘇州河河口水閘平面二維水流數(shù)值模擬[J].水利水電科技進(jìn)展,2007,27:52-55.

[3] 潘忠良.某水閘消力池自由液面數(shù)值模擬的研究[J].浙江水利科技,2008,(6):25-27.

[4] 李大勇,董增川,陳方.南水北調(diào)東線工程東平湖至濟(jì)南段水流模擬建模研究[J].水利水電科技進(jìn)展,2006,26(2):1-4.

[5] 白正裕,王必勝,趙喜萍.萬家寨引黃工程的調(diào)度控制和運(yùn)行[J].人民黃河,2003,25(6):5-6.

[6] 桑雷,桑濤,方森松.低水頭泄水閘消力池三維紊流數(shù)值模擬[J].湖南交通科技，2011,37:181-185.

[7] 吳持恭.水力學(xué):上冊[M].北京:高等教育出版社,1998.

(編輯：賈麗紅)

Research on the 3D Depth Simulation Calculation of XiatuzhaiDistribution Structure under Different Opening

GUO Caihuaa,ZHANG Yongb,SONG Xiaoyec

(a.CollegeofWaterConservancyScienceandEngineering,b.TeachingAffairsSection,c.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China)

The 3D modelling is established in combination with the engineering practice,by referring to the theory of hydraulics to set relevant boundary conditions.For Xiatuzhai distribution structure the three-dimensional flow field is analysised to simulate the flow depth under different flow condition and gate opening.The results show that under three kinds of working conditions the simulation results of water depth are in agreement with related data,meeting the requirements of the project; The discrepancy for the latter two kinds of working conditions is mainly due to the simplification in the extended distance before and after the distribution structure.The solving of the model can provide theoretical reference for engineering design of the project,also can provide reference for similar engineering design.

Xiatuzhai;distribution structure; three-dimensional structure;water depth after brake

1007-9432(2015)06-0780-03

2015-05-28

國家自然科學(xué)基金：管道縫隙螺旋流水力特性研究(51109155)

郭彩華(1958-),女,山西昔陽人，副教授，主要從事流體力學(xué)的研究，(Tel)18334706189

TV133

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.06.026