不同閉門速度下的閘門水動力特性數值模擬

孟慶奎，伊元忠，陳 赟

（1.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，河南 鄭州 450044；2.水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊830091；3.鄭州大學 機械工程學院，河南 鄭州450001）

0 引言

事故閘門的主要功能是在動水中截斷水流以便處理或遏止流道下游所發生的事故，因此我們期望在保證安全的情況下，以盡可能快的速度關閉事故閘門，避免事故擴大，減少事故造成的損失。事故閘門動水關閉過程的水動力特性很復雜，閉門過程中會出現水氣二相轉換的湍流流動，閘后水流由滿流向明流過渡，而此時閘門底緣處可能會出現脫流情況，易產生負壓，引起閘門空化等現象，給閘門的安全運行帶來隱患。因此閘門動水關閉時的水動力特性受到了學者的關注。

學者們[1-4]早期主要通過水力模型試驗來實現對事故閘門閉門過程中水流流態、門體的水動力荷載特性等的研究，發現閉門時閘門區出現劇烈的明滿流交替狀態，閘門水動力特性的影響因素較多。隨著計算流體力學的發展，對閘門閉門過程進行數值模擬的方法得到了廣泛應用，劉景[5]利用有限體積法對不同開度的弧型閘門流場進行了三維數值模擬，得到了不同工況的流速場，張冬等[6]對平面閘門不同開度下的啟閉力進行了數值模擬，得到了啟閉力與開度的關系，章晉雄[7]研究了運行水頭、上游底緣傾角和厚度等對閘門水動力載荷的影響，劉昉等[8]研究了底緣傾角和朝向對閘門閉門力的影響情況。這些研究為閘門閉門過程水流數值模擬提供了很好的方向。本文以某水利樞紐泄洪閘平面事故閘門為研究對象，采用RNGk-ε湍流模型、VOF模型及動網格技術，對平面閘門動水關閉過程進行了數值模擬，分析了閉門時閘門區的流場特征及閘門門體水動力特性，研究了以不同速度閉門時閘門底緣的壓力情況，為事故閘門的水力設計及運行提供一定的參考依據。

1 控制方程及VOF模型

1.1 控制方程

目前雷諾平均法的k-ε湍流模型應用較為廣泛，而RNGk-ε模型對彎曲流線和大壓力梯度流動的模擬更準確，閘門區域水流屬于彎曲繞流，故本文采用RNGk-ε模型對閘門動水關閉過程進行模擬。該模型的控制方程如下：

連續性方程

動量守恒方程

k方程

ε方程

式中：ρ為流體密度；μ為分子粘性系數；μt為湍流粘性系數，表達式為為壓力；Gk為速度梯度引起的湍動能k的產生項，表達式為模型中通用的常數值為：

1.2 VOF模型

VOF方法[9]通過求解計算區域內某相流體的體積函數來進行自由表面的追蹤。在某單元內，若第m相流體的體積函數為αm=0，說明單元內不存在該相流體；若第m相流體的體積函數為αm=1，說明單元內充滿該相流體；若第m相流體的體積函數0＜αm＜1，說明單元內包含該相流體和其他相流體，即該單元為不同相的分界面。

某相流體體積函數的連續性方程為：

VOF方法具有計算量小、計算時間短、方便易行的特點，適用于閘門區水氣交界面的追蹤。

RNGk-ε模型在引入了VOF模型后，與原模型方程基本相同，區別在于密度和粘性系數不是單一相的，而是根據各相體積函數加權平均得到的：

2 計算模型

2.1 模型建立

以某水利樞紐泄洪閘平面事故閘門為研究對象，建立庫區及流道的模型，見圖1。上游庫區長度為5倍進水口高度，下游流道長160m，為節約計算資源，庫區模型只建立下半部分，庫區模型頂部為30m水深處。閘底高程為1750m，正常蓄水位為1820m。上流到下游方向為x向，重力方向為y軸向，閘門跨度方向為z向。孔口尺寸為8.0m×10.0m（寬×高），閘門下游面板止水，閘門底緣為前后傾角組合形式布置。在ICEM中對流場區進行六面體結構化網格劃分。

圖1 流場模型

2.2 網格更新方法

動網格技術可用來模擬邊界隨時間改變而引起流場形狀變化的問題，對運動邊界的速度及角速度進行預定義，模擬其運動軌跡，并進行網格更新設置，使得邊界運動的同時相關網格能同步更新，從而得到整個流場的變化情況。

閘門按一定速度閉門為單向無往返運動，可采用鋪層法和域動網格法結合的方式來實現閘門區網格的更新。鋪層法是依據運動規律，通過在相鄰運動邊界處增加或減少網格層數，來更新變形區網格的，該方法能有效處理拉伸體網格變形，適用于結構化網格，通過設置分裂和坍塌系數，可使更新后的網格仍是結構化網格，對計算精度影響較小。域動網格是將閘門運動區域周圍劃為一個計算域，該計算域與其他計算域的交界面設為變形邊界，該計算域內閘門底緣和頂部設為剛體運動邊界，來實現閘門的閉門運動（見圖2）。這兩種方法結合使用可使更新后的閘門區域網格不產生畸變，保證網格質量和計算精度。

2.3 邊界條件及求解方法

在閘門動水關閉的非定常流過程中，初始條件為閘門全開的恒定過流流場。上游庫區采用壓力入口邊界條件，因選取庫區區域較大，可以忽略動壓作用，故庫區入口壓力設置為靜壓分布，具體壓力值通過UDF命令編寫設置：

圖2 域動網格法閘門區設置圖

其中：ρ為水的密度；g為重力加速度；h為庫區蓄水位；y為壓力點距流道底部的高度。

閘門井和通氣孔設置為空氣壓力進口；下游出口采用壓力出口邊界條件，設置為一個大氣壓。流道壁面為無滑移壁面，采用壁函數法模擬。

壓力入口的湍流動能k和湍流耗散率ε由經驗公式求得：

其中，u為進口面流速；I為湍流強度；L為湍流特征長度。

本文采用有限體積法對控制方程進行離散，采用PISO算法進行壓力-速度耦合求解。該算法[10]增加了一個修正步，求解瞬態問題有明顯優勢。

3 閘門動水關閉數值模擬分析

將水頭70m，閘門閉門速度6.0m/min，關閉時間100s，定為工況1。對工況1進行閘門動水關閉的仿真模擬。

3.1 動水關閉時閘后流場分布情況

圖3為閘門閉門過程中0.6開度時閘門附近流場流速圖，由圖可看出閘門關閉過程中，水流經過閘底時呈繞流狀態，過閘時流速加快，閘門底緣出現脫流趨勢。閘門關閉至0.46開度時，閘后水流從滿流狀態向明滿流轉換狀態轉變，在0.15開度時閘后水流達到明流穩定狀態。

3.2 動水關閉時閘后壓力場分布情況

閘門閉門過程某一時刻閘門門體周圍壓力分布情況見圖4。閘門關閉，由閘井開始進入流道，閘門上游迎水面面板壓力逐漸增加，前半底緣壓力沿水流方向逐漸降低，后半底緣上游側出現負壓，閘下壓力沿水流方向逐漸減小，水流分離點在后半底緣的負壓區上游側，水流脫流后，閘下水流與閘門底緣間會形成空隙，易產生負壓。隨著閘門的逐漸關閉，閘門下游面板壓力逐漸降低。

圖3 流場流速圖

圖4 閘門門體周圍壓力分布圖

3.3 動水關閉時底緣受力情況

閘門迎水側底緣壓力分布圖見圖5。由圖5可看出，閘門底緣壓力沿水流流向先增大后減小，由中間向兩側逐漸減小。

圖5 閘門上游底緣壓力分布云圖

閘門關閉過程中底緣壓力隨開度變化曲線見圖6。由圖6可知，閘門底緣壓力在閘門剛從閘門井進入流道時增大，之后逐漸減小，在閘門中等開度時達到最小，而后隨著閘門的持續關閉而逐漸增大。

3.4 閉門速度對閘門底緣壓力影響

分別設置閘門閉門速度為6.0m/min、4.5m/min、3.0m/min，對各閉門速度進行動水關閉仿真模擬，得到閘門底緣壓力變化曲線見圖7。由圖7可看出，各閉門速度下閘門底緣壓力隨開度的變化趨勢基本一致，且各開度下底緣壓力值差別不大，說明閉門速度大小對閘門底緣壓力影響較小。但閉門速度越大，出現明滿流轉換的閘門開度越大，明滿流轉換及吸氣情況越劇烈。

圖6 閉門過程中閘門底緣壓力變化圖

圖7 不同閉門速度下閘門底緣壓力變化圖

4 結論

通過對平面閘門動水關閉過程進行數值模擬，得到了閘門閉門時閘后流場及壓力場分布情況，研究了閘門閉門過程中底緣壓力的變化情況，研究結果表明閉門時水流經過閘底時呈繞流狀態，閘底水流脫流易出現負壓；閘底附近壓力梯度大，閘下壓力沿水流方向逐漸減小；閉門速度對底緣壓力影響較小，但閉門速度越大，出現明滿流轉換的閘門開度越大，明滿流轉換及吸氣情況越劇烈。在規范下，適當提高閉門速度，在盡量短的時間內完成閘門關閉，對保證電站安全運行有利。

本文采取RNGk-ε湍流模型、VOF模型及動網格技術，對平面閘門動水關閉過程進行了數值模擬，更加方便的分析了閉門時閘門區的流場及門體水動力特性，減輕了原型觀測及模型試驗的工作量，分析結果也可為閘門水力設計提供一定的參考依據。