基于CFX的雙向流道自引自排閘門開度控制研究

王夢成，劉玉平，徐付祥，陳松山

(1.揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州 225000；2. 鎮(zhèn)江市諫壁抽水站管理處，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

我國大部分地區(qū)均存在降雨的時空不均衡性，因此灌溉與排澇的雙重任務(wù)顯得尤為突出。而閘站結(jié)合雙向流道泵站不僅具有“一站四閘”的功能，又能降低工程造價，且具有較高的水泵裝置效率，自20世紀70年代以來，在沿江和太湖流域等得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)學(xué)者針對大型雙向流道泵站提排、提灌的特性研究較多[1，2]，研究提出一些高效的雙向流道裝置形式[3，4 ]，但涉及雙向流道泵站自排、自引過流特性的研究較少，已制約了雙向流道泵站的多功能綜合效益發(fā)揮。隨著近現(xiàn)代流體力學(xué)、計算數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)的發(fā)展，以及計算流體力學(xué)軟件開發(fā)與應(yīng)用，湍流數(shù)值模擬已成為解決工程問題的重要手段。研究將基于三維湍流數(shù)值模以典型的雙向流道泵站-諫壁泵站[5]為研究對象，探討雙向流道泵站自引自排的過流特性和流道內(nèi)流速分布特性，旨在提出一些閘門優(yōu)化運行方案。

1 工程概況

諫壁抽水站地處鎮(zhèn)江市東郊，是一座典型的大型雙向流道泵站，它擔負著太湖流域排澇、抗旱、河道沖淤和保證通航等多重任務(wù)。泵站安裝2800ZLQ-27-3立式軸流泵6臺，配套1800kW的TL1800-40/3300同步電機，設(shè)計流量162 m3/s。諫壁泵站采用閘站結(jié)合的“X型”雙向進出水流道實現(xiàn)灌排結(jié)合，泵站設(shè)有36扇液壓快速閘門斷流，其中出水流道12扇，進水流道24扇，通過調(diào)控進出流道的液壓快速閘門，可實現(xiàn)太湖湖西地區(qū)的內(nèi)澇水經(jīng)過運河提排或自排入長江，也可提灌或自引長江進入太湖湖西地區(qū)，諫壁泵站的剖面圖見圖1。自1978年建成以來，泵站主要是通過提排、提灌解決太湖湖西片的排澇灌溉需求。近年來，也開始嘗試泵站的自排自引功能，但有關(guān)不同上下游水位差、不同引水排水流量下的閘門合理開啟模式還處于摸索階段，亟待從理論上予以探討。

圖1 泵站剖面圖Fig.1 Pump station profile

2 自排自引數(shù)值模擬模型

2.1 控制方程

泵站雙向流道內(nèi)的水體具有連續(xù)性和不可壓縮流體[6]，其時均化的動量方程(RANS)與連續(xù)性方程可表達為：

(1)

(2)

式中：ui表示平均流速；p表示平均壓力；μ表示分子黏性系數(shù)；μt表示渦黏性系數(shù)，可用渦團黏性假設(shè)表示；Cμ為系數(shù)，取0.09。

湍流模型采用標準的k-ε方程：

(3)

(4)

2.2 邊界條件[7]

自引自排工況下，因只開啟下層進水流道閘門，而水泵不運行、出水流道閘門關(guān)閉，因此，可假設(shè)水泵段及出水流道區(qū)域為死水區(qū)。數(shù)值計算只需模擬雙向進水流道的過流特性即可。雙向進水流道的邊界條件包括：進口邊界條件、出口邊界條件以及固壁面邊界條件。

(1)進口邊界。進口邊界設(shè)在進水池處，并假定來流為充分發(fā)展湍流，進口斷面流速分布均勻且垂直進口斷面。

(2)出口邊界。出口邊界設(shè)在出水池，考慮出口可能存在回流，在CFX前處理中出口邊界設(shè)置為Open Pressure and Direction，即：給定壓力值，并假設(shè)壓力方向垂直于出口斷面。

(3)固壁面邊界。假設(shè)壁面無滑移；對于近壁面區(qū)，當y+>11.06時，使用標準壁面函數(shù)，而當y+<11.06時，則將y+=11.06直接代入標準壁面函數(shù)中。在CFX前處理中即為Scalable壁面函數(shù)。

2.3 三維造型與網(wǎng)格剖分

鑒于諫壁泵站原型雙向進水流道尺寸較大，為了確保模擬的準確性，特別是滿足近壁面函數(shù)條件，所需網(wǎng)格數(shù)量過于巨大。為此，可據(jù)相似理論將原型按照幾何比尺19.33縮小至模型進行精確模擬和深入研究。由諫壁泵站雙向進水流道的幾何形狀與尺寸，使用Pro/E造型軟件進行三維實體造型，并將其導(dǎo)入GAMBIT中進行網(wǎng)格劃分[8]，如圖2、圖3所示。為避免網(wǎng)格數(shù)對計算結(jié)果的影響，對計算模型劃分了9種不同網(wǎng)格數(shù)量方案進行比較，圖4為不同網(wǎng)格數(shù)計算結(jié)果。分析表明，當網(wǎng)格數(shù)量大于360萬時，計算結(jié)果的波動范圍在1%～3%之間[9]，考慮到網(wǎng)格數(shù)量對于計算資源的占用和耗時的影響，最終確定網(wǎng)格數(shù)量為360萬。

圖2 進水流道造型Fig.2 Inlet channel model

圖3 進水流道網(wǎng)格剖分Fig.3 Inlet channel mesh

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性檢測Fig.4 Mesh independent detection

3 計算結(jié)果與分析

3.1 單側(cè)閘門不同開度下過流特性

如圖1所示，單側(cè)閘門不同開度下過流特性是假設(shè)從長江引水至太湖，若保持長江側(cè)閘門2全開，而運河側(cè)閘門1部分開啟的引水特性。數(shù)值模擬中，選取了的運河側(cè)閘門相對開度分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0五種工況。分別計算每一閘門開度在不同流量下的對應(yīng)水位差。不同相對開度下的流量與水位差關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 長江側(cè)閘門全開時的流量與水位差曲線Fig.5 The flow and water level difference curve of Changjiang river side gate fully open

工程實際中，水位差由上、下游水位傳感器測得，對于既定的水位差和需水流量，可根據(jù)圖5的數(shù)值計算結(jié)果確定合理閘門開度。首先根據(jù)上下游水位差在圖5的縱坐標上找到該水位差點，過該點作水平線，與不同開度的流量壓差曲線相交，每一交點分別對應(yīng)于一個流量和相對開度，以相對開度為橫坐標，流量為縱坐標，繪制出流量與開度曲線。由流量與開度曲線可查得不同需水流量對應(yīng)的相對開度。

圖6為水位差200 mm時的閘門相對開度和流量關(guān)系曲線。若需水流量為22.42 m3/s，由圖6可快速查得閘門相對開度為0.505，即閘門總高度的50.5%。對于其他不同水位差和需水流量下的閘門相對開度的確定和上述方法類似。

圖6 進水側(cè)閘門全開時出水側(cè)閘門相對開度流量曲線Fig.6 The relative outlet side gateopeningdegree of the flow curve while the inlet side gate is fully open

3.2 組合開度下流道的過流特性

諫壁泵站雙向進水流道設(shè)有4扇閘門，自引自排時的閘門開啟存在多組合。因此，還需探討雙側(cè)閘門部分開啟組合的過流特性。為保證引水(排水)的對稱性，進水流道一側(cè)的兩扇閘門開度應(yīng)相同。現(xiàn)仍以上下游水位差200 mm、引水流量22.42 m3/s工況為例分析。根據(jù)上小節(jié)的分析結(jié)果，運河側(cè)閘門相對開度應(yīng)大于50.5%，設(shè)計長江側(cè)閘門相對開度為0.8和0.6的兩個方案以及一個運河側(cè)全開的方案進行對比。

(1)如圖1所示，保持長江側(cè)閘門2的相對開度為0.8，調(diào)節(jié)閘門1的相對開度使其分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0，分別計算每一閘門開度在不同流量下對應(yīng)的水位差。不同相對開度下的流量與水位差關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 進水側(cè)閘門相對開度為0.8時的流量水位差曲線Fig.7 The flow and water level difference curve while the inlet side gate relative opening degree is 0.8

根據(jù)文中3.1節(jié)處理方法，可繪制出水位差200 mm時閘門相對開度與流量之間的關(guān)系曲線，通過查圖可得流量為22.42 m3/s時對應(yīng)的運河側(cè)閘門相對開度為0.528。

(2)保持長江側(cè)閘門2的相對開度為0.6，調(diào)節(jié)閘門1的相對開度使其分別為0.2、0.4、0.6、0.8，分別計算每一閘門開度在不同流量下對應(yīng)的水位差。不同相對開度下的流量與水位差關(guān)系曲線，如圖8所示。繪制出水位差200 mm時閘門開度與流量之間的關(guān)系曲線，通過查圖可得流量為22.42 m3/s時對應(yīng)的閘門開度為0.605。

圖8 進水側(cè)閘門相對開度為0.6時的流量水位差曲線Fig.8 The flow and water level difference curve while the inlet side gate relative opening degree is 0.6

(3)保持運河側(cè)閘門1全開，調(diào)節(jié)長江側(cè)閘門2的相對開度使其分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0，分別計算每一閘門開度在不同流量下對應(yīng)的水位差。不同相對開度下的流量與水位差關(guān)系曲線，如圖9所示。繪制出水位差200 mm時閘門開度與流量之間的關(guān)系曲線，通過查圖可得流量為22.42 m3/s時對應(yīng)的長江側(cè)閘門相對開度為0.52。

圖9 運河側(cè)閘門全開時的流量水位差曲線Fig.9 The flow and water level difference curve of canalriver side gate fully open

3.3 不同閘門開啟方案的流道內(nèi)流特性

圖10 雙向流道內(nèi)部速度等值線Fig.10 Internal velocity contour of two way flow passage

單側(cè)開啟閘門和雙側(cè)組合開啟閘門，當上下游水位差為200 mm時，均能滿足引水22.42 m3/s的要求。為了比選最優(yōu)開啟方式，分別數(shù)值模擬4個可行方案的內(nèi)部流動，如圖10所示。研究表明，不同方案的流道內(nèi)部流動差異明顯。當長江側(cè)閘門全開，運河側(cè)閘門部分開啟時流道內(nèi)進水側(cè)的流速分布最為均勻；隨著長江側(cè)閘門開度的減小與運河側(cè)閘門開度的增大，流道內(nèi)部進水側(cè)的湍動增加、流速分布不均而出水一側(cè)的流態(tài)相對較好，但由工程實際可知在整個流道中進水側(cè)的流態(tài)對于機組的影響相較于出水側(cè)的流態(tài)來說更為明顯。由此可見，當進水側(cè)閘門開度越大，在相同條件下通過相同的流量時，流道內(nèi)部進水側(cè)流場的流速分布越均勻，方案也越優(yōu)。

4 結(jié) 語

本文以標準k-ε湍流模型方程和時均N-S方程對諫壁泵站雙向進水流道不同閘門組合開度進行了模擬計算，得到了不同水位差下流量與閘門開度的關(guān)系及不同閘門開度組合下的流道內(nèi)部的流場，通過分析得到了如下結(jié)論：

(1)引水(排水)時，保持進水一側(cè)的閘門全開，控制出水側(cè)閘門開度來調(diào)節(jié)流量是合理方案。

(2)對既定的上下游水位差，根據(jù)需水流量，利用數(shù)值模擬得出的開度流量關(guān)系線，實現(xiàn)閘門開度的精確控制，對雙向流道自引(自排)合理運行具有指導(dǎo)價值。

□

[1] 劉 超，金 燕，周濟人，等.箱型雙向流道軸流泵裝置內(nèi)部流動的數(shù)值模擬和試驗研究[J].水力發(fā)電學(xué)報,2011,30(5):192-198.

[2] 劉 超，金 燕.雙向流道泵裝置內(nèi)三維流動數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2011,42(9):74-78.

[3] 陳松山，王林鎖，陸偉剛，等.大型軸流泵站雙向流道設(shè)計及泵裝置特性試[J].江蘇大學(xué)學(xué)報,2001,22(3):45-49.

[4] 朱勁木，何忠人，劉德祥，等.大型軸流泵站雙向流道設(shè)計及模型試驗驗證[J].武漢大學(xué)學(xué)報,2005,38(4):13-16.

[5] 丁學(xué)明.江蘇省諫壁雙向抽水站的效益及其特點[J].水利水電技術(shù),1985,(10):49-54.

[6] 李維斌，吳春篤，朱榮生，等.諫壁泵站進水流道的數(shù)值分析[J].中國農(nóng)村水利水電,2005,(4):44-45.

[7] 胡玉仙.基于FLUENT軟件的泵站進出水流道流動模擬研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2004.

[8] 資 丹，王福軍，陶 然，等.邊界層網(wǎng)格尺度對泵站流場計算結(jié)果影響研究[J].水利學(xué)報, 2016,47(2):139-149.

[9] 馮靜安，唐小琦，王衛(wèi)兵，等.基于網(wǎng)格無關(guān)性和時間獨立性的數(shù)值模擬可靠性驗證方法的研究[J].石河子大學(xué)學(xué)報, 2017,35(1):28-32.