高水頭船閘閥門段體型優(yōu)化三維數(shù)值模擬

楊忠超,楊 斌,陳明棟,胡雪梅

(重慶交通大學(xué)內(nèi)河航道整治技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室,重慶 400074)

由近年國內(nèi)、外船閘建設(shè)狀況可知,越來越大的船閘規(guī)模及越來越高的水頭是現(xiàn)代船閘的發(fā)展趨勢。船閘輸水閥門每天頻繁操作,工作條件復(fù)雜,在非恒定高速水流作用下,極易在閥門段、分流口等部位形成空化,嚴重時可能導(dǎo)致閥門及輸水廊道空蝕破壞,威脅建筑物及通航安全,因此,輸水系統(tǒng)閥門段的空化問題是高水頭船閘設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)難題[1-4]。烏江銀盤樞紐船閘設(shè)計最高通航水頭達36.46m,為目前國內(nèi)已建和在建船閘中最高的水頭,是世界排名第3的單級船閘。在物理模擬試驗和數(shù)值計算中,閥門段空腔內(nèi)均出現(xiàn)負壓,尤其在升坎反弧處水流脫離邊壁,負壓尤為明顯。并且,該處負壓接近廊道邊壁,容易對建筑物造成空蝕破壞。

采用數(shù)值模擬手段研究閥門廊道中的流場特性具有優(yōu)化體型方便、節(jié)約財力、節(jié)省時間、不存在比尺效應(yīng)等優(yōu)點,是物理模型試驗研究的有力補充手段。王玲玲等[5]、戴會超等[6]、馬崢等[7]采用 k-ε雙方程模型對三峽船閘充水系統(tǒng)閥門段進行二維數(shù)值模擬;王智娟等[8]采用三維數(shù)學(xué)模型在閥門開度n=0.4時對銀盤船閘閥門段體型進行優(yōu)化。這些研究成果加深了對閥門水力學(xué)的理解,為高水頭船閘閥門設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)。

在整體埋深及廊道尺寸受限的情況下,通過局部體型修改來優(yōu)化其壓力條件是解決空化空蝕問題的有效途徑。本文提出一系列體型,采用動網(wǎng)格技術(shù)對其進行非恒定流三維數(shù)值模擬,分析閥門段水流急變分離的流態(tài)、流速、壓強的時空變化規(guī)律,遴選出最佳體型。

1 計算模型

1.1 控制方程

計算模型選用在紊流計算中得到公認的雷諾時均法k-ε雙方程紊流模型。采用有限容積法對偏微分方程進行積分,方程離散中對流、擴散項采用二階向后全隱式格式,時間項采用一階向后差分格式。為了反映壓力對速度的影響,采用壓力-速度耦合求解的SIMPLER算法,同時采用多重網(wǎng)格技術(shù)加速求解。線性化的方程組求解運用點隱式高斯-塞德爾迭代方法。

連續(xù)方程

動量方程

k方程

ε方程

其中

式中:ρ和ν分別為體積分數(shù)平均的密度和分子黏性系數(shù);νt為紊流黏性系數(shù);k為紊動能;ε為紊動耗散率;Gk為生成項;i=1,2,3,即;j為求和下標(biāo)。

方程中通用模型常數(shù) η0=4.28,β=0.015,Cμ=0.085,C2ε=1.68,σk=0.7179,σε=0.7179。

1.2 計算閥門段廊道

以烏江銀盤船閘充水閥門段廊道體型建立計算模型。計算區(qū)域以閥門井為中點,上游至廊道進水口,約長38m,下游至廊道水平分流口,約長49m。閥門井寬4.5m,模型總長約91m。由于閥門啟動后就存在門楣縫隙,故建立模型時在門楣處預(yù)留約2cm的狹縫以模擬狹縫射流。采用四面體和六面體混合網(wǎng)格進行剖分,對閥門區(qū)和突擴段網(wǎng)格進行加密。銀盤船閘閥門段廊道及計算網(wǎng)格剖分見圖1。

圖1 銀盤船閘閥門段廊道及計算網(wǎng)格剖分示意圖

1.3 邊界條件處理

1.3.1自由表面

對于閥門井存在的自由表面,采用三維VOF法進行計算。

1.3.2進、出口條件

進、出口均為壓力邊界條件。進口采用進口廊道底至水庫水面靜水壓力分布。實際隨著閥門開啟過程,出口隨閘室水深增加而壓力增大,上、下游出口壓力差減小。但為了模擬最不利工況,保持出口最低壓力不變,即出口按下游河道水面至出口廊道底的靜水壓力分布設(shè)定。

1.3.3閥門開啟

閥門開啟速度采用UDF文件(筆者采用速度隨時間變化規(guī)律)使閥門實現(xiàn)連續(xù)的開啟過程。閥門開啟過程中采用動網(wǎng)格技術(shù)調(diào)整和更新閥門運動后的網(wǎng)格,確保計算網(wǎng)格質(zhì)量。

1.3.4固壁邊界條件

固壁邊界條件由壁函數(shù)方法給定。

2 設(shè)計方案結(jié)果分析

圖2表明在閥門開啟過程中,突擴體腔內(nèi)逐步形成2個明顯的旋渦,逆時針旋渦位于主流上方的上突擴內(nèi),順時針旋渦位于底擴跌坎后的三角區(qū)域,2個旋渦方向相反。在上游高水壓作用下,閥門下底緣與廊道底板之間形成高速射流,射流斜沖下突擴體底板后,主流附底板而下沖擊升坎,在升坎末端由于斷面減小,流速顯著增加,且由于流向改變,形成脫壁。從流速來看,主流在閥門開度n=0.4時流速最大,約為24.7m/s;升坎凸弧末端脫壁流速在閥門開度n=0.8時達到最大,為25.22m/s。

從圖3和圖4可見,隨著閥門開度增加,在突擴體頂板和升坎凸弧處形成2個低壓區(qū)。在閥門開度n=0.5時,頂板壓強(Ⅱ點)達到最小,為-7.31kPa;在閥門開度n=0.6～0.8時升坎凸弧處(Ⅳ點)的負壓達到最低,為-120.75kPa,故存在較高的空蝕破壞風(fēng)險,需進一步對體型進行優(yōu)化。

圖2 設(shè)計方案閥門廊道中的剖面流場

圖3 設(shè)計方案閥門不同開度時廊道中的剖面水壓P分布

3 優(yōu)化方案結(jié)果分析

3.1 優(yōu)化方案

為了探索閥門段廊道幾何參數(shù)對腔體內(nèi)壓力分布的影響,解決腔體內(nèi)的負壓問題,尤其是升坎凸弧高負壓的難題,從突擴體長度、上突擴高度、下跌坎高度,以及升坎傾角進行調(diào)整,在設(shè)計方案之外提出了8個方案(見表1,表中參數(shù)含義見圖5)。

圖4 設(shè)計方案突擴體關(guān)鍵點水壓隨時間變化曲線

表1 各比選方案幾何參數(shù)

圖5 閥門段優(yōu)化幾何參數(shù)示意圖(單位:m)

3.2 流場分析

廊道幾何參數(shù)調(diào)整以后腔體內(nèi)的流態(tài)發(fā)生顯著變化。圖6比較了閥門開啟過程中閥門開度 n=0.3時流態(tài)。除設(shè)計方案、方案3和方案6外,其余方案在閥門開啟初期,腔體內(nèi)首先形成一個順時針旋渦,但這個旋渦不穩(wěn)定,約在n=0.35時旋渦從升坎凸弧處被擠出空腔體,同時在跌坎下形成穩(wěn)定的小范圍的順時針旋渦,在流股上方形成較大范圍的逆時針旋渦。由于腔體幾何參數(shù)不同,旋渦的形體、大小及位置略有不同。

3.3 壓力分析

從Ⅱ點壓強變化來看,n＜0.2時各方案的壓強基本沒有變化,當(dāng)n＞0.3時腔體內(nèi)旋渦開始形成,強度不斷增大,頂板處壓強減小,n=0.5～0.6時壓強達到最低,隨后壓強逐漸回升。保持下突擴高度H0不變,比較設(shè)計方案、方案2、方案3和方案 8,可見增大上突擴高度H1有利于增大頂板壓強。比較設(shè)計方案、方案1和方案2組,方案3、方案4、方案5和方案6組,方案7和方案8組,可見保持上突擴高度H1不變,增大下突擴H0,亦可增大頂板壓強。但是受a和b角度的影響,H1和H0最大的設(shè)計方案頂板壓強卻不是最大,而是方案3時頂板壓強最大,基本未出現(xiàn)負壓,最小為3.25kPa;方案6的頂板壓強最小,達到-41.95kPa。

圖6 不同方案的流場比較(t=18s,n=0.3)

空蝕空化最危險區(qū)位于突擴體升坎凸弧處(Ⅳ點)。從Ⅳ點的壓強過程線(圖7)來看,在n＜0.2時,各方案壓強變化較小,當(dāng)n＞0.3時腔體內(nèi)旋渦形成,升坎凸弧處形成脫壁流,壓強開始下降,約n=0.6～0.8之間達到最低,隨后壓強逐漸回升。從圖6可見,設(shè)計方案、方案3和方案6沒有發(fā)生初生旋渦被擠出突擴體的現(xiàn)象,故Ⅳ點的壓強從n=0.25時逐漸降低,其余方案在初生旋渦被擠出突擴體瞬間時Ⅳ點的壓強出現(xiàn)明顯的陡降。從體型參數(shù)分析,當(dāng) H0不變時,比較設(shè)計方案、方案2、方案 4和方案8,增大H1,a角變大,Ⅳ點的壓強變低。其原因是a角越大,升坎凸弧處水流脫壁越嚴重,造成壓強越低;當(dāng)H1不變時,比較設(shè)計方案、方案1和方案2組,方案 3、方案4、方案5和方案6組,可見增大H0可提高Ⅳ點的壓強。其原因是增大下突擴有助于跌坎處生成旋渦,消能較充分,從而減小了升坎凸弧處的流速。對于方案7和方案8,傾角 a對Ⅳ點的壓強影響較明顯,a越小,壓強越大,原因是小傾角減小了脫壁流強度。對比所有方案,方案8的Ⅳ點壓強最大,最低值為-63.59kPa,比設(shè)計方案提高了57.68kPa。

圖7 閥門開啟過程中各方案Ⅳ點的壓強比較

4 結(jié) 語

采用動網(wǎng)格技術(shù)和VOF方法對高水頭船閘閥門開啟過程進行非恒定流三維紊流數(shù)值模擬,分析閥門段水流急變分離的流態(tài)、流速、壓強等水力特性參數(shù)的時空演化規(guī)律,分析出現(xiàn)空蝕危險的區(qū)域和時刻。針對閥門后突擴體頂板和升坎凸弧處出現(xiàn)較低負壓問題,提出一系列的體型方案,分析了體型參數(shù)對流速、流態(tài)、壓強分布的影響。分析結(jié)果表明,方案3的頂板壓強最大,升坎凸弧處方案8的壓強最大。數(shù)值模擬對閥門體型優(yōu)化具有方案變化快、經(jīng)濟省的優(yōu)點,是物理模型試驗研究的有力補充手段。

[1]李云,胡亞安,宣國祥.通航船閘水力學(xué)研究進展[J].水動力學(xué)研究與進展:A輯,1996,11(2):232-239.

[2]閻詩武.船閘廊道輸水閥門振動研究進展[J].水利水運工程學(xué)報,1998(2):109-118.

[3]周華興.高水頭船閘閥門空化問題的研究[J].水運工程,1993(11):28-33.

[4]王玲玲,高飛.三峽永久船閘輸水系統(tǒng)輸水特性研究[J].河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2002,30(4):96-99.

[5]王玲玲,戴會超,王瓊.三峽船閘水力學(xué)數(shù)值實驗室的研制及應(yīng)用[J].河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2004,32(1):100-103.

[6]戴會超,王玲玲.三峽永久船閘閥門段廊道水力學(xué)數(shù)值模擬[J].水力發(fā)電學(xué)報,2005,24(3):88-92.

[7]馬崢,張計光,陳紅勛,等.三峽永久船閘輸水廊道水動力學(xué)特性研究[J].水動力學(xué)研究與進展:A輯,2007,22(2):175-181.

[8]王智娟,江耀祖,吳英卓,等.銀盤船閘閥門段體型優(yōu)化三維數(shù)值模擬研究[J].人民長江,2008,39(4):91-93.