基于CFD的閘站結合布置優化設計與研究

徐 波，高 琛，陸偉剛，許偉健，畢 超，劉鵬程

(揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127)

0 引 言

由于平原地區的實際地形及工程投資等其他客觀因素的限制，閘站結合布置已經成為平原地區常見的形式。閘站結合布置方式雖然解決了客觀因素的限制，但卻非常容易引起樞紐工程上游流態的特殊化和復雜化[1]。針對一般性的閘站結合工程，即閘不具有通航要求時，為了改善泵站進水池和前池的不良流態，前人對前池和進水池進行了整流優化研究，采用了導流裝置、底坎、壓水板、導流墩、組合式導流墩等不同的整流措施，且都取得了較好的改善效果[2-12]。對于閘具有通航要求時，由于導流墩的存在，在導流墩頭部會產生斜流，當其斜流橫向、軸向速度過大時，容易造成船舶偏離航線、扭轉，甚至產生事故[13,14]。

以上優化研究大多都集中在一般性的閘站結合工程，并未考慮到閘站結合工程閘具有通航要求的情況。本文以某閘站結合工程為例，采用計算流體力學(CFD)軟件分析水力特性，以研究該閘站工程布置的合理性以及通航的安全性，并提出優化改進方案，為類似工程提供參考。

1 數值模擬研究

1.1 數學模型

根據該閘站工程的水力特性特征，前池的雷諾數為2×105，本文將其視為不可壓縮黏性流體的湍流流動，由于泵站尺度較大，在泵站前池、節制閘前流動變化大，故采用兩方程k-ε模型中的RNG(Renormalization Group,重整化群)k-ε求解[15]和SIMPLEC算法[16]對前池的水力特性進行三維數值模擬研究，采用10-3作為監控收斂參數精度。

1.2 物理模型參數

基于三維建模軟件UG和Fluent前處理軟件Gambit，建立了該閘站工程前池及進水流道數值模擬計算區域的三維模型，為便于分析研究，將進水流道進行簡化延伸，如圖1所示。該閘站結合模型由引河、泵站前池、泵站進水流道、導流墩及節制閘組成。其中節制閘布置在引河的右岸，泵站前池布置在引河左岸，中間用導流墩隔開，為典型的閘站結合布置形式。該閘站結合式泵站安裝6臺2900ZLQ-100立式泵，單泵設計流量30 m3/s，各泵進水流道分別編號為1～6，其中1號進水流道靠近翼墻，6號進水流道靠近閘站結合處的導流墩。節制閘有通航的要求，航道等級為Ⅴ級，3個節制閘分別編號為7～9，其中7號節制閘靠近導流墩，9號節制閘在引河的右岸。

圖2給出該閘站結合的平面尺寸，導流墩的長度為15 m，前池及引河底板高程為13.4 m，進水池底板高程為11.4 m，節制閘底板高度為6.65 m。

1-1號進水流道；2-2號進水流道；3-3號進水流道；4-4號進水流道；5-5號進水流道；6-6號進水流道；7-7號節制閘；8-8號節制閘；9-9號節制閘；10-引河；11-前池；12-導流墩圖1 計算區域示意圖Fig.1 Calculation areaschematic diagram

圖2 平面尺寸示意圖(單位：m)Fig.2 Plane dimensionsschematic diagram

1.3 模型邊界條件

1.3.1 進口邊界

將引河進水斷面作為進口邊界，進口斷面垂直于水流方向，可將此處來水速度看作是均勻分布的。由于抽排流量和自排流量已知，故采用速度進口邊界條件，根據該工況的流量和斷面面積計算水流速度大小。

1.3.2 出口邊界

抽排工況時出口邊界設置在進水流道出水斷面處；自排工況時將出口邊界設置在節制閘處，并將出水斷面延伸以保證水流充分發展，故可采用自由出流邊界條件。

1.3.3 壁面邊界

采用黏性無滑移邊界條件。前池及進水流道的壁面區為低雷諾數湍流，高雷諾數湍流模型已不再適用，故采用壁面函數法進行計算。壁面函數法是直接使用半經驗公式將壁面物理量與湍流求解變量聯系起來，直接得出相鄰節點變量值。本次數值模擬采用標準壁面函數法對壁面進行處理。

1.3.4 自由面邊界

進水前池中的水流表面為自由水面，水面隨時間變化不大，故自由水面采用剛蓋假定。

1.4 模型網格劃分

本文進水前池、進水流道及節制閘采用GAMBIT軟件自帶的TGrid和非結構化網格自動生成。為保證計算精度，經計算比選后，計算網格規模數選定為140萬左右。

2 原設計方案數值模擬

采用上述數學模型對該閘站結合布置方案進行分析研究，然后針對存在的水流流態及流速問題來提出相應的改進措施和建議。

2.1 原設計方案布置情況

該閘站結合布置有泵站和具有通航功能的節制閘各一座，泵站單機設計流量為30 m3/s，導流墩的長度為15 m，閘孔總凈寬25.5 m，共3孔，均為通航孔。采用數學模型計算時需考慮到該樞紐最不利運行時的工況，即當泵站(節制閘)過流量達到最大的工況。該閘站結合上下游水位及流量工況如表1所示，表中的hs為上游水位，hx為下游水位，H為揚程，Q為流量。對原設計方案進行流場計算，以工況三即1號、2號、5號和6號機組運行，3號、4號機組和節制閘都關閉來作為泵站最不利運行工況。節制閘運行工況中，只有工況四即3個節制閘全開、泵站機組全關閉時節制閘通航，其余工況都不通航。

表1 樞紐上、下游水位組合工況表Tab.1 Table of upper and lower water level combination conditions of the hub

注：工況一、二、三都是泵站抽水到下游，工況四是打開閘門排水。

2.2 原設計方案數值模擬結果分析

由于數值模擬的三維流場比較復雜，為直觀立體地觀察和研究前池、引河、節制閘前和進水流道前的流場，數值模擬結果采用流場圖及速度分布云圖來反映空間立體流場、流速。

2.2.1 原設計方案泵站最不利運行工況

最不利運行工況即工況三，該工況流量Q=120 m3/s，對應的上游水位hs=21 m、下游水位hx=24.3 m。抽排工況4臺機組每臺流量為30 m3/s?；贔LUENT軟件采用三維湍流流動數值模擬方法對該工況前池進行了計算。

在泵站最不利運行工況下，流場圖如圖3所示，導流墩左邊的節制閘前并非死水區，該區域水流形成回旋區，該水流繞過導流墩進入泵站前池，在導流墩的右側有一定的脫流現象。在泵站前池的流線都十分平順，當越靠近導流墩，流線越發傾斜，傾斜趨勢一直持續到進水流道前，1號和2號進水流道前水流向右傾斜，5號和6號進水流道前水流向左即導流墩方向傾斜，且在1號進水流道前面層有回旋區，底層并未發現回旋區。

2.2.2 原設計方案節制閘運行工況

節制閘運行工況即運行工況四，該工況下主要考慮節制閘有通航要求，其最不利運行流態為回流和斜流，故采用數值模擬對原方案下的三維流場、面層流場、橫向速度及軸向速度進行計算，計算結果如圖4所示。

圖3 原設計方案流場圖Fig.3 Original design flow field diagram

圖4 原設計方案CFD計算結果Fig.4 Original design CFD calculation results

流線圖如4(a)～(b)所示，在節制閘前流線較平順，沒有回旋區產生，但在導流墩頭部附近有斜流產生。根據該工程通航航道等級，國內外對類似區域的斜流最大橫向速度限制標準為0.25 m/s，最大軸向流速限制標準為1.5m/s[17]。其橫向速度和縱向速度如圖4(c)～(d)所示，在原始方案布置情況下，導流墩頭部最大橫向流速為0.35 m/s左右，最大縱向流速為1.7 m/s左右，均超過限制標準。

故原設計方案下存在的主要問題是：泵站運行時，由于導流墩過短，泵站進口偏流過大，前池流態較差；節制閘運行時，由于導流墩頭部斜流過大，橫向速度和軸向速度都超過限制標準，影響船舶通航的安全性。因此，需對該工程原設計方案進行改進優化。

3 優化方案數值模擬

為了改進泵站前池流態和通航時節制閘前的流態，設計了2種導流墩優化工程措施，分別記為優化方案1和優化方案2。優化方案1的措施是將導流墩的長度延長為49 m，優化方案2的措施是在延長導流墩的長度為49 m的基礎上再開孔，導流墩開孔參數如圖5所示。所述兩種優化方案導流墩頂部均高于水面。

3.1 泵站最不利工況優化數值模擬結果分析

如圖6所示，采用優化方案1后，采用加長后的導流墩，導流墩右側的脫流現象也基本消失，整個前池的流線相比原始方案更加平順，1號進水流道前的回旋區已消失，但在進水流道前還是有少許偏流。如圖7所示，采用優化方案2后，由于在導流墩開孔，進水流道前的水流傾斜程度降低，附近的水流橫向速度減小，軸向速度增大，前池內的流態明顯改善，流道進水口水流更加順直。

3.2 節制閘最不利運行工況優化數值模擬結果分析

優化方案1模擬結果如圖8所示，流場圖見圖8(a)～(b)，由于只對導流墩進行了加長，斜流還是存在。流速圖如圖8(c)～(d)所示，相比初始方案，延長導流墩后，導流墩頭部軸向速度得到改善，最大軸向速度為1.4 m/s左右，但對橫向速度降低的并不明顯，在導流墩的頭部橫向速度還在0.25 m/s左右。當導流墩開孔后，數值模擬結果如圖9所示，由于墩上開孔，斜流得到改善，相比只延長導流墩的情況，在導流墩頭部附近橫向速度降低，同時橫向速度分布明顯改善，在導流墩頭部最大橫向速度為0.21 m/s以下，最大軸向速度為1.15 m/s左右，均達到通航要求。

圖5 開孔導流墩結構圖Fig.5 Design of perforated pierdiagram

圖6 優化方案1流場圖Fig.6 Optimization scheme 1 flow field diagram

圖7 優化方案2流場圖Fig.7 Optimization scheme 2 flow field diagram

圖8 優化方案1CFD計算結果Fig.8 Optimization scheme 1 CFD calculation results

圖9 優化方案2CFD計算結果Fig.9 Optimization scheme 2 CFD calculation results

4 結 論

本文采用CFD對閘站結合水流流態進行計算，通過分析水力特性，研究了閘站工程布置的合理性及通航的安全性。在此基礎上，針對原設計方案存在的不足，提出了不同的優化方案，并采用數值模擬對優化方案的優越性進行了對比驗證，得到如下結論：

(1)閘站結合式泵站由于導流墩過短，在泵站運行時導流墩附近容易出現脫流現象，前池面層出現回旋流動，進水流道前水流會發生偏斜，影響泵站的正常運行。在閘站通航時，導流墩頭部易存在斜流，橫向速度和軸向速度過大，影響船舶通航的安全性。

(2)在泵站運行時導流墩延長能減小前池內的回旋范圍，消除導流墩附近的脫流現象，但對進水流道前水流的偏斜改善的并不明顯。而在導流墩延長的基礎上，對導流墩進行開孔，能減小進水流道前的偏斜。

(3)在節制閘運行需要通航時，延長導流墩能有效減小導流墩頭部的軸向速度，但不能有效地降低橫向速度。當對加長的導流墩進行開孔后，能有效地降低橫向速度，從而達到通航的要求。

(4)本文的研究僅在數值模擬的基礎上進行，優化措施主要集中在導流墩長度及形式的改進，在通航工況下右岸距導流墩頭部較遠處還存在一定的回流區。因此，后續工作應該研究一些綜合優化改進措施進一步減小甚至消除右岸的回流區。此外，為保證泵站等水工建筑物的安全，還應采用物模試驗驗證優化方案數值模擬成果的準確性。

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