丟棄負(fù)荷工況下事故閘門井流態(tài)CFD數(shù)值模擬

摘 要:本文基于紊流模型對(duì)某水電站平板閘門及閘門井周圍湍流流場(chǎng)進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬，探討了在丟棄負(fù)荷工況下閘門井水位變化過(guò)程線和各時(shí)刻平板閘門上的壓力分布情況，并給出了閘門所受合力隨時(shí)間變化以及閘門井內(nèi)橫斷面的流態(tài)圖，在此基礎(chǔ)上分析了丟棄負(fù)荷工況下閘門井內(nèi)的這種流態(tài)對(duì)閘門振動(dòng)的影響。

關(guān)鍵詞:閘門井平板閘門數(shù)值模擬

中圖分類號(hào):TK730文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)06(b)-0101-02

水電站在運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷經(jīng)常發(fā)生變化，這時(shí)機(jī)組就需要相應(yīng)的改變應(yīng)用流量，引水系統(tǒng)中發(fā)生非恒定流現(xiàn)象。單機(jī)組丟棄負(fù)荷時(shí)，水輪機(jī)的引用流量在短時(shí)間內(nèi)減小為零，閘門井中水位往復(fù)波動(dòng)，由于強(qiáng)烈的紊動(dòng)而產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力作用在鋼閘門結(jié)構(gòu)上，使之產(chǎn)生一定程度的振動(dòng)。目前對(duì)于這種振動(dòng)的機(jī)理尚不十分明確，也沒(méi)有行之有效的消除措施。基于此我們采用CFD和三維有限元方法對(duì)丟棄負(fù)荷工況下閘門的受力和閘門井內(nèi)流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 數(shù)值計(jì)算模型

利用Gambit軟件按1:1建模，模型包括部分水庫(kù)、閘前引水管道、檢修閘門井、事故閘門井、平板鋼閘門和閘后引水管道。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)模型做了適當(dāng)處理，如保持引水管道的面積不變，近似的視管道截面為矩形。為了方便網(wǎng)格劃分，在不影響計(jì)算精度的前提下對(duì)閘門的工字鋼梁板進(jìn)行適當(dāng)加厚處理。閘門平面尺13600mm(寬)×12000mm(高)。模型網(wǎng)格劃分如圖(1)，對(duì)事故閘門井和事故閘門部位的網(wǎng)格將適當(dāng)加密，網(wǎng)格總數(shù)為780000個(gè)。采用瞬時(shí)態(tài)問(wèn)題算法和分離式求解器求解。

2 基本控制方程

(1)連續(xù)性方程:

(2)紊流模型(包括方程和方程)

紊流脈動(dòng)動(dòng)能方程:

;

紊流脈動(dòng)能耗散率方程:

其中，，

，，

，，

，，

，，，

。公式中為流體密度，為流體速度，為分子粘性系數(shù)，為紊流粘性系數(shù)，為紊流脈動(dòng)動(dòng)能，為紊流脈動(dòng)能耗散率。

(3)模型:，

其中，;

當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí) 。是流體速度場(chǎng)，是流體所在的區(qū)域，是流體所在的區(qū)域。

3 模型邊界條件設(shè)定

邊界條件設(shè)置如圖(2)所示，水庫(kù)水位由壓力邊界模擬，取其為參考?jí)毫?出口邊界為速度邊界，可以由函數(shù)確定。還給出了固壁邊界，由于計(jì)算區(qū)域關(guān)于平面對(duì)稱，只取其一半劃分網(wǎng)格，對(duì)稱面定義為邊界為對(duì)稱邊界。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

用非定常的模型來(lái)追蹤閘門井內(nèi)流體與空氣的自由界面的形狀，從各不同時(shí)間水的體積分?jǐn)?shù)云圖可以看出事故閘門井內(nèi)水面(自由界面)的變化情況。由閘門井內(nèi)體積分?jǐn)?shù)云圖(圖3)知由于閘門主梁的作用，使得部分?jǐn)嗝婷娣e被隔斷，每個(gè)主梁板都是一個(gè)突變段，使得這部分水流阻力遠(yuǎn)大于部分。通過(guò)流速云圖可以看出部分的流速大于部分，這反映了閘門井內(nèi)水位漲落過(guò)程中，平板閘門的迎水面與背水面的水力阻尼不一致，使得閘門受到方向的水推力，進(jìn)而引起閘門方向的振動(dòng)。

閘門體在方向上受到的水壓力呈周期性變化。在丟棄負(fù)荷工況條件下，水從閘門井底部流入流量增加，部分由于橫梁的作用，上升速度不及腔，從而閘門左右形成水位差，這個(gè)水位差造成了閘門受到方向的變化的合力。

同理，在方向上閘門受到水壓力和浮力，丟棄負(fù)荷工況初始水位上升，閘門橫梁受到水流向上的力;當(dāng)閘門井內(nèi)水位下降時(shí)，橫梁受到水流向下的沖擊。當(dāng)然由于能量的損耗，閘門井內(nèi)水位最終會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)新的水位。比較方向和方向的閘門體受力情況，在丟棄負(fù)荷時(shí)，在水平方向受力的變化幅度比鉛直方向大得多。故可以認(rèn)為閘門振動(dòng)的主要影響因素是水平方向變化的力，因此在水平方向上需采取相應(yīng)的防振措施。

5 結(jié)語(yǔ)

此研究是在視閘門體為剛體的前提下得出的結(jié)論，與實(shí)際情況可能有一定的差異，在實(shí)際情況下平板閘門是非常復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，還需考慮作用在閘門體上的水流的脈動(dòng)頻率和閘門的自振以及流固耦合等因素。

參考文獻(xiàn)

[1]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2004，9.

[2]韓占忠.Fluent-流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與分析[M].北京理工大學(xué)出版社，2009，8.

[3]柘溪水電站擴(kuò)機(jī)工程水力過(guò)渡過(guò)程數(shù)值計(jì)算與分析[R].