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(jī)械分公司，山東 德州 253500)

0 引 言

改革開(kāi)放以來(lái)，大量水利工程的興建對(duì)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(guó)干旱、缺水地區(qū)帶來(lái)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(diǎn)是水利工程研究的重點(diǎn)之一[4]，泄洪閘由于可以在動(dòng)水中自由開(kāi)閉閘門(mén)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(guò)程由于空氣的摻入變得十分復(fù)雜，泄流速度過(guò)快也會(huì)影響下游水利設(shè)施的正常運(yùn)行，為防止下游建筑的破壞，需要針對(duì)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(duì)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(jìn)行網(wǎng)格劃分及泄流模擬，將模擬結(jié)果與現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比，驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，進(jìn)一步闡述該泄洪閘的泄流特性及泄流能力，針對(duì)泄洪閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jí)為中型三等，水利樞紐的主要建筑物、次要建筑物、臨時(shí)建筑物級(jí)別為3級(jí)、4級(jí)、5級(jí)。水電站機(jī)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(mén)和工作門(mén)，孔口尺寸均為20m×12m，閘門(mén)頂部高程為1600m，底板高程為1584m。泄洪閘中軸線橫斷面，見(jiàn)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(jìn)口，設(shè)置為速度進(jìn)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(huì)變?yōu)閷恿?，因此利用Fluent軟件設(shè)置邊界條件時(shí)需要選擇壁面函數(shù)法來(lái)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(jì)算效率；在模擬時(shí)采用VOF法對(duì)自由水面進(jìn)行追蹤，該方法假定計(jì)算過(guò)程中的水、空氣不相互交換質(zhì)量，2種流體僅在各自計(jì)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(jì)洪水位以及校核洪水位兩個(gè)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(jiàn)表1。

表1 工況相關(guān)參數(shù)

2 計(jì)算方法

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行湍流場(chǎng)的模擬計(jì)算時(shí)，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(dòng)能，J；ui為時(shí)均速度，m/s，i=1，2，3；μ為湍流動(dòng)力黏度系數(shù)，Pags；ρ為流體密度，kg/m3；ε為湍動(dòng)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(gè)方程合并為一個(gè)方程如下：

(3)

采用有限體積法對(duì)k-ε湍流模型控制方程(3)進(jìn)行離散，得到：

(4)

式中：α、αa為計(jì)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(jì)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(yùn)用solidwork軟件進(jìn)行集合模型的建立；②將集合模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行流體區(qū)域的網(wǎng)格劃分，共劃分為4949430個(gè)網(wǎng)格單元，模型共有865460個(gè)節(jié)點(diǎn)；③在Workbench中鏈接Fluent有限元模擬軟件進(jìn)行邊界條件的設(shè)置以及不同工況的數(shù)值模擬。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 泄流量

泄流量對(duì)比，見(jiàn)表1。2個(gè)工況的實(shí)測(cè)、計(jì)算值誤差很小，均在5%以?xún)?nèi)，因此可以說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型的計(jì)算方法適用于該泄洪閘，F(xiàn)luent軟件中對(duì)邊界條件的設(shè)置也滿足該模型的模擬需求。實(shí)測(cè)值與計(jì)算值產(chǎn)生誤差的主要原因是：實(shí)際物理模型試驗(yàn)中，外界條件會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致進(jìn)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(shí)，整個(gè)計(jì)算過(guò)程中的外界環(huán)境以及邊界條件均不會(huì)發(fā)生改變。

表2 泄流量對(duì)比

3.2 水氣交界面

實(shí)際物理模型試驗(yàn)中，真實(shí)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(duì)比的試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，僅對(duì)物理模型中的幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行水氣交界面監(jiān)測(cè)，為方便對(duì)比，數(shù)值模擬結(jié)果同樣選取位置相同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并檢測(cè)體積分?jǐn)?shù)為50%的水氣交界面位置。水氣交界面位置，見(jiàn)圖2。

由圖2可知，2個(gè)工況計(jì)算所得水氣交界面在閘室上游比較平穩(wěn)；進(jìn)入閘室后，由于過(guò)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(huì)出現(xiàn)水位雍高的現(xiàn)象，水氣交界面逐漸增高；流體進(jìn)入消力池后，水氣交界面位置逐漸增高；當(dāng)流體經(jīng)過(guò)鋼筋防護(hù)段時(shí)，由于防護(hù)籠對(duì)水流有一定的阻擋作用，因此水氣交界面開(kāi)始逐漸降低，這時(shí)流體即將到達(dá)泄洪閘出口，在出口處水流會(huì)出現(xiàn)急流現(xiàn)象，急流同樣會(huì)使接近出口的流體水氣交界面降低。

(a)校核工況

(b)設(shè)計(jì)工況

圖2中2個(gè)工況水氣交界面在各個(gè)位置的發(fā)展規(guī)律基本相同，但由于校核水位比設(shè)計(jì)水位高，所以水氣交界面突降值也比設(shè)計(jì)工況大。在校核水位下，實(shí)測(cè)值普遍>計(jì)算值，在設(shè)計(jì)水位下，實(shí)測(cè)值普遍略<計(jì)算值，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：開(kāi)展物理模型試驗(yàn)時(shí)，2個(gè)工況不能同時(shí)進(jìn)行，而不同時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)外界環(huán)境會(huì)發(fā)生改變，因此會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果的誤差。但從圖中可以看到，2個(gè)工況的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相差不大，驗(yàn)證了該泄洪閘模型的可靠性。

3.3 壓強(qiáng)

為了防止泄洪閘在工作時(shí)，底板壓力出現(xiàn)負(fù)壓或壓強(qiáng)極小而導(dǎo)致空化等現(xiàn)象的發(fā)生，在試驗(yàn)中對(duì)部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行壓強(qiáng)的檢測(cè)，在泄洪閘模型上分別設(shè)置15個(gè)壓強(qiáng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。壓強(qiáng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，見(jiàn)圖3。

壓強(qiáng)發(fā)展規(guī)律圖，見(jiàn)圖4。由圖4可知，兩個(gè)工況的壓強(qiáng)發(fā)展規(guī)律相同：①在水流進(jìn)入閘室之前都處于比較平穩(wěn)的狀態(tài)；②進(jìn)入閘室后，由于水氣交界面的突降，導(dǎo)致閘室底板的壓強(qiáng)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(qiáng)增大；④在消力池內(nèi)，壓強(qiáng)發(fā)展平穩(wěn)；⑤當(dāng)流體脫離消力池時(shí)，水流受到消力坎的作用而流動(dòng)緩慢，導(dǎo)致流體壓強(qiáng)突降；⑥流體流出消力池后，壓強(qiáng)發(fā)展趨于平穩(wěn)。

圖3 壓強(qiáng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

2個(gè)工況計(jì)算結(jié)果中，壓強(qiáng)均為正并且沒(méi)有出現(xiàn)壓強(qiáng)極小的現(xiàn)象，可以說(shuō)明該泄洪閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較合理，消力池的存在有效的避免了壓強(qiáng)持續(xù)突增現(xiàn)象。圖4中，兩個(gè)工況的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相差不大，再一次驗(yàn)證了計(jì)算方法及模型的可靠性。

(a)校核工況

(b)設(shè)計(jì)工況

3.4 流速

對(duì)3個(gè)關(guān)鍵截面進(jìn)行流體流速的監(jiān)測(cè)，校核工況截面流速分布，見(jiàn)圖5；校核工況截面流速分布，見(jiàn)圖6。2個(gè)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(guò)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(shuō)明該泄洪閘消力池的消能作用明顯，存在價(jià)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(shuō)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(gè)工況的3個(gè)截面實(shí)測(cè)值與計(jì)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(shí)水流開(kāi)始進(jìn)入消力池，截面尺寸發(fā)生改變，消力池開(kāi)始對(duì)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(shí)際試驗(yàn)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(shí)，不能完全貼合實(shí)際情況，因此此處的誤差相對(duì)較大，但在可控范圍內(nèi)，又一次驗(yàn)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(jí)水電站泄洪閘為研究對(duì)象，利用solidwork建立泄洪閘模型，運(yùn)用ANSYS有限元軟件中的不同模塊進(jìn)行網(wǎng)格的劃分以及泄洪閘泄流的模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模型的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性；在泄洪閘工作時(shí)，閘室入口因截面改變，所有監(jiān)測(cè)參數(shù)均發(fā)生突變，消力池內(nèi)流體流動(dòng)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(cè)參數(shù)二次突變。

該泄洪閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(qiáng)在下游處加大鋼筋防護(hù)籠的長(zhǎng)度與強(qiáng)度，避免余能對(duì)下游建筑造成破壞。