下土寨分水閘不同開度下的三維水深模擬

郭彩華，張 勇，宋曉曄

(太原理工大學 a.水利科學與工程學院，b.教務處，c.環境工程學院，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 a.水利科學與工程學院，b.教務處，c.環境工程學院，太原 030024)

結合工程實際建立了下土寨分水閘三維造型,根據水力學理論進行相關邊界條件設定，同時對不同來流條件及閘門開度下的下土寨分水閘流場進行三維流動水深模擬分析。結果表明，三種工況下水深的模擬結果與相關資料吻合度均符合工程要求，后兩個工況結果有部分出入的主要原因是模型建立時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計提供理論參考,也可為類似的工程設計提供借鑒。

下土寨;分水閘;三維構造;閘后水深

水資源特有的時空分布促使國內外眾多跨流域、跨地區的大型引水工程建設和運行。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行之后,我國的“南水北調工程”和“萬家寨引黃工程”等引水工程也在我國的國民經濟社會發展中逐步開始發揮重要作用[1-3]。通過閘門啟閉來控制水位和流量,是實現河道、水庫等引水工程對來流進行調度的一項重要技術措施。隨著計算機模擬技術的不斷提高,對水利工程進行智能化分析已成為水利工程領域的重要研究手段[4-5]。由于分水閘啟閉形式的復雜多變性及實際運行工況的不確定性,數值模擬對此類問題的研究逐漸受到重視[6]。筆者結合萬家寨引黃工程概況,依托相關水力學理論對下土寨分水閘進行建模,并通過閘后水深的計算分析對模型進行驗證,旨在為類似工程設計提供參考依據。

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 分水閘模型構建

分水閘的三維造型及邊界條件設定見圖2。三維模型利用GAMBIT建造,網格采用適應性好的四面體網格,數目為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地流入分水閘區,從而與實際情況相符。同時在引入段的最前端加一堰池,用以設定水流的入流邊界條件。同時在南干線與北干線下游各加一堰池,用以設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

湍流模型采用標準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。計算采用非定常模型,采用PISO算法進行計算。總干線引入段最前端的堰池邊界給為壓力進口邊界,介質為水。壓力進口邊界需要給定進口的總壓,具體數值根據總干線的流量與水深計算確定，如下式：

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

表1 工況列表

表2 各工況的邊界條件

3 試驗結果與分析

在上游壓力進口邊界的流量、下游速度進口邊界的壓力穩定后,即可認為流場接近于長時間運行的穩定狀態,可用于各問題的分析。試驗結果主要對各工況穩定狀態下的液面高程云圖和干線水深校核圖進行分析。

3.1 不同工況的液面高程云圖

對模擬結果進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)。

從以上結果可以看出,工況(一)整個流場比較平順,總干線和南干線計算水深也與資料所給的數值較接近。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,在閘門上游產生了明顯的回流,閘門上下游水位差較大,因此水流經過閘門后速度較大,在進入北干消力池時出現了水躍。工況(三)整個流場都比較平順,由于北干線閘門開度較大,整個流場平穩后,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

對模擬結果進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果圖

從以上結果可以看出,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值有一定差別。考慮原因是由于在進行CFD計算時,考慮到計算量,對分水閘前后延伸的距離不長,與實際情況不太吻合,同時所給的資料中并未提及在實驗測量數據時具體的邊界條件,邊界條件會對CFD計算的結果產生一定影響。

4 結論

1) 3種工況下的液面高程云圖均符合實際液體流動規律,對比模擬水深值與實際水深值可以看出誤差均在允許范圍內,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) 通過模擬發現，工況(一)的流場最為平穩，工況(二)和工況(三)出現的水流回流導致水位雍高并產生水躍等水力學現象,在工程運行過程中應予以重視。

3) 對于其他運行工況,可通過數值模擬結合試驗驗證的方法進行進一步分析探討,從而掌握流量-開度-水位之間的關系。

本文的研究成果可為工程運行提供參考依據,也可為類似工程提供參考借鑒。

[1] 穆祥鵬,練繼建,劉瀚和.復雜輸水系統水力過渡的數值方法比較及適用性分析[J].天津大學學報,2008,41(5):515-520.

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

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

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

[5] 白正裕,王必勝,趙喜萍.萬家寨引黃工程的調度控制和運行[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值模擬[J].湖南交通科技，2011,37:181-185.

[7] 吳持恭.水力學: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，主要從事流體力學的研究，(Tel)18334706189

TV133

A

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