基于FLUENT軟件的攔河閘水力特性數值模擬

(遼寧省東港市友誼灌區管理處，遼寧 東港 118300)

攔河閘主要用來調節上游水位和控制下泄水流流量，當發生洪水時，一方面可以通過開閘泄洪，保證上游洪水位低于防洪水位，另一方面可以調節下泄流量，使下泄流量低于下游河道的安全泄量[1]，從而實現航運、灌溉、發電引水、城鎮供水排淤泄沙、水沙平衡的目的。攔河閘主要設置在河道順直、河床穩定的河段，可以保證水流平順，單寬流量均勻，盡可能縮短閘下消能防沖設施長度[1-4]。

1 工程概況

某攔河閘坐落于遼寧省境內，主要以攔漂為主，同時兼顧交通功能，該工程為綜合利用的水利工程，工程等級為Ⅱ等。工程主要設施包括攔河閘、船閘、電站、道路和碼頭等。永久性主要建筑物級別為2級；次要建筑物級別為3級；船閘導航墻、碼頭擋土墻級別為3級。設計洪水重現期為100 a(P=1%)，校核洪水重現期為1 000 a(P=0.1%)。攔河閘、船閘及電站工程安全使用年限為100 a，閘門安全使用年限為50 a，碼頭工程、清漂工作平臺工程及道路工程安全使用年限為50 a。攔河閘設18孔，攔河閘孔寬為12 m，1孔溢流閘，平板閘門高14 m，圓弧形中墩寬3 m，閘底板高程 286.5 m。中部溢流閘寬12 m，閘墩寬3 m，閘門分7節，總高14 m，正常蓄水位301.14 m。船閘總寬24 m，電站總寬60.4 m。左右岸岸坡與船閘壩段及電站壩段的連接采用擋水壩連接的方式。工程整體平面見圖1，攔河閘尺寸見圖2。

2 FLUENT軟件

FLUENT軟件主要用于二維、三維流體物質分析，能夠導入多類型的CAD軟件三維模型和多種CAE網絡模型，實現內存分配的動態化。FLUENT軟件核心思想是將研究區域全部數據導入控制方程，通過計算研究區域內的流體方程，完成計算區域內所有物理量的求解。FLUENT軟件需要依靠Autocad、ICEM(Integrated Computational Engineering and Manufacturing)軟件進行前處理。結構網格劃分或非結構網格劃分都需要借助ICEM軟件，首先在Autocad中建立攔河閘數值模型，隨后將CAD圖形導入ICEM中進行下一步的結構網格劃分，操作步驟見圖3。FLUENT軟件后期處理借助CFD-POST軟件，該軟件可以顯示關鍵部位物理量，如速度、壓力、溫度等；同時，用戶還可以自定義研究區域，最終以矢量圖、云圖、曲線、XY散粒圖、等值線圖等方式顯示出數據結論[5]。求解流程見圖4。

圖1 工程整體平面(單位：m)

圖2 攔河閘尺寸 (單位: mm)

圖3 ICEM 劃分網格步驟

3 攔河閘數值模擬研究

3.1 數學模型建立

首先利用CAD軟件繪制攔河閘的三維模型，邊界為對稱邊界。攔河閘的三維模擬區域范圍為：X方向從上游水庫樁號0-046.00斷面至0+132.80斷面；Z方向上游和下游均為15 m，在攔河閘段為12 m；Y方向上下游水深方向分別為283～312.27 m、280～312.27 m。研究區域內的下游高程為280 m，結構網格的劃分借助ICEM-CFD軟件生成，計算區域的網格劃分見圖5，ICEM 網格質量檢測見圖6。模型中選擇多相流模型，設置水和空氣兩種材料[6-8]。

圖6 ICEM 中網格質量檢測

3.2 邊界條件設置

進口處空氣項采用壓力入口模塊，水流項采用速度入口模塊，初始水流速度為泄流量與斷面面積的乘積。水力直徑為 21.2 m，除側壁邊界設置為對稱邊界，其余邊界都設置為單獨邊界。出口設壓力出口, 回流湍流強度設為6%，回流水力直徑設為17.7 m，自有面水平為290.84 m，底部邊界水平為280 m。攔河閘表面粗糙率為 0.014，壁面邊界條件糙率設為0.014。

4 數值模擬結果

4.1 泄流能力

泄流能力的大小關乎著攔河閘是否能夠發揮出灌溉、引水、沖沙的最大效能，流量系數是影響泄流能力的重要參數，主要受邊界條件和初始泄流條件影響。攔河閘為寬頂堰，其流量系數可根據下游200 m水位流量關系進行確定。寬頂堰流公式為

(1)

式中，m為流量系數；b為堰寬，m;H為堰上水頭，m；n為實測流量系數。

基于FLUENT軟件,借助單孔對模型中19孔正常蓄水位下的泄流能力進行了模擬，當模型流量穩定后利用軟件提取流量值，實測值與模擬值對比結果見表1。當以進出口流量差值小于5%作為收斂標準時，模型結果比實測值高 2.97%，小于收斂標準。

表1 流量實測與模擬對比

4.2 沿程水面高程

通過FLUENT軟件計算150 s后，計算趨于穩定。當FLUENT軟件運行150 s后模型系統達到穩定狀態，液體流動的水面線用運行頻率VOF=0.5的水汽交界面作為標準。表2列出了中孔中線當z=0時實測和數值模擬水面高程的具體數值，由正常蓄水位模擬值和實測值對比可知兩者是非常接近的，表明模擬結果比較可靠。

表2 中孔中線z=0位置處水面高程對比 m

圖7 正常蓄水位模擬值和實測值對比

由圖7可知，在攔河閘水流進口處有顯著的水跌現象產生，而在下泄段，挑流出口水面高程有一個較小的升高值，隨后下游水面趨于平穩。觀察可知，攔河閘的控制下水流流態整體較平順，流態較好。試驗值和模擬值之間的差值小，兩者狀態較吻合。

4.3 流 速

流速反映水流動能大小是消能設施建立與避免空化空蝕的重要參考依據，流速大小影響攔河閘的消能防沖效應以及引水輸沙作用發揮。流速過大，挑流出口處壓強低于汽化壓強，將產生氣泡，帶有氣泡的流水移動到高壓區時：①可能會發生空蝕；②水流與下游河床接觸時的下切速度將過大，導致下游消能防沖受到嚴重沖刷。流速若小于不淤流速，將會導致引水過程中沙土沉積，嚴重影響引水排沙效能。分析可知，為同時發揮引水排沙效能并降低消能防沖設施壓力，流速要介于推移質的起動流速與不沖流速。各斷面流速模擬值和實測值對比見表3，各斷面流速見圖8。分析可知，實測流速與理論模擬流速相差不大，在25 m位置處出現了最高流速17 m/s。

表3 各樁位流速對比

圖8 各斷面流速

分析可知，進口流量不變的狀況下，攔河閘進口處水流流速最小，隨著側收縮的影響，水面高程降低后，水流流速顯著增加，特別是水流流經斜坡下泄時，流速變得更大，流速在挑坎附近處達到了最大值。在水流下游處，隨著下游水面升高，流速降低。

4.4 壓 強

當水閘存在流水過流時，鑒于壩面存在不平整狀況，會使得過流面產生負壓，進而產生空化空蝕現象。水流通過攔河閘后勢必會發生水頭損失，導致沿程總能量的降低。若流速增大時，如果位置水頭固定或變化很小，壓強水頭也呈現減小趨勢。此時水流的過流面將產生負壓，負壓很大時將產生嚴重的空化空蝕現象。為了增加攔河閘的過流能力，一些攔河閘將溢流面設計成負壓面。若流體內質點相對靜止，質點之間無相對運動，此時認為流體內沒有切應力，故流體的壓強作用方式可以直接表征靜止液體之間的相互作用關系，壓強模擬值和實測值對比見表4，壓強水頭對比值見圖9。分析可知，壓強模擬值和實測值的誤差范圍介于 0.49～-0.19 Pa，實測壓強水頭值、壓強值與模擬值相差不大，表明模擬數據較為真實地反映了現場情況。

表4 壓強模擬值和實測值對比

圖9 壓強水頭對比值

5 結 論

流量穩定后，模型計算結果比實測值大 2.97%，小于5%的收斂標準。在攔河閘水流進口處有顯著的水跌現象產生，而在下泄段，挑流出口水面高程有一個較小的升高值，隨后下游水面趨于平穩。試驗值和模擬值之間的差值小。實測流速與理論模擬流速之間相差均不大，最高流速(17 m/s)出現在25 m處，在水流下游處，隨著下游水面升高，流速降低。壓強模擬值和實測值的誤差范圍介于0.49～-0.19 Pa，實測壓強水頭值、壓強值與模擬值相差不大。模擬數據較為真實地反映了實際結果，驗證了FLUENT軟件模擬在攔河閘水力特性研究上的可行性。