不同開度時弧形閘門流固耦合數值模擬

唐克東 王旭聲 孫留穎

摘要：為研究弧形閘門局部開啟時受力情況，采用單向流固耦合的方法，結合Realizable k-ε湍流模型和VOF方法，利用ANSYS、Fluent軟件建立了水流流場和閘門三維模型，對不同開度下閘門受力情況進行數值模擬，獲得了過閘流量和閘門變形、應力變化的規律，通過與理論計算過閘流量對比，驗證了數值模擬結果的準確性。結果表明：隨著閘門開度的增大，閘門動水壓力逐漸減小，最大應力區域發生了變化，應依據不同的工作環境進行閘門設計和加固。

關鍵詞：弧形閘門;開度;流固耦合;數值模擬

中圖分類號：TV663+.2

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.02.029

弧形閘門因啟門力小、操作方便等優點而廣泛應用于水工建筑物中[1]。在水利工程運行過程中，通過全部或局部開啟閘門調節過閘流量，控制上游或水庫水位。但閘門局部開啟時，受復雜的水流條件影響，動水壓力的計算比較困難[2]。目前，流固耦合的求解分為單向流固耦合和雙向流固耦合[3]。單向流固耦合只考慮流場對固體的作用，不考慮固體對流場的影響，計算速度快但存在一定誤差：雙向流固耦合考慮流體和固體之間的相互作用，計算準確但計算效率低。在泄流過程中，弧形閘門變形相對較小，可以忽略變形對水流的影響[4].因此可以采用單向流固耦合的方法進行數值模擬。筆者以某水利工程泄流段為例，利用ANSYS、Fluent軟件，建立流場和弧形閘門三維模型，結合Realizable k-ε湍流模型和VOF方法，對不同開度下的弧形閘門進行單向流固耦合計算，分析閘門的應力變化規律。

1 數學模型

k-ε模型是目前工程中應用廣泛的湍流模型，分為standard k-ε、RNG k-8、Realizable k-ε三種湍流模型[5]。standard k-8模型由湍流動能后方程和湍動耗散率ε方程組成，適用于完全湍流的流場;RNG k-ε模型在ε方程中增加了一個附加生成項，適用于計算分離、大曲率和旋轉等流動[6];Realizable k-ε模型對湍流黏性進行了修改，并為湍動耗散率ε增加了計算公式，適用于多種復雜水體流動[7]。本文應用Realizable k-ε湍流模型進行泄洪道內泄流與弧形閘門的耦合分析。

VOF方法通過定義流體與網格體積比函數追蹤自由液面的變化，適用于互不摻混的多相流計算[8]。泄流過程是復雜自由液面的水氣兩相流動，在Realizable k-ε湍流模型的基礎上，采用VOF方法進行自由液面的模擬。體積比函數為

2 計算模型

2.1 工程概況

某Ⅱ等水利工程，水庫設計蓄水位2 628.0 m，校核蓄水位2 628.7 m，兩岸邊坡坡度為500～ 700。壩型為混凝土重力壩，壩頂長度210.0 m，共分9個壩段。泄流底孔采用壓力洞形式，進口高程為2 550.0 m，進口頂板曲線方程為X/7.5+ Y/2.5=1.底板為半徑R=2 m的倒角。水流進口設置事故檢修閘門，孔口尺寸為5.0 mx7.0 m。出口設弧形工作門，孔口尺寸為5.0 mx6.0 m。弧形工作門半徑R= 8.0 m，支鉸中心線高程為2 571.0 m，由油壓啟閉機啟閉。閘門槽后接拋物線底板，出口采用挑流消能方式，挑坎高程為2 536.0 m，反弧段半徑為28 m，挑角為28°。

2.2 計算區域和網格劃分

水流流場分為水庫和泄洪道兩部分。水庫斷面近似為等腰梯形，上底為210 m，梯角為60°。上游水流采用靜水壓力人口，忽略微小動水壓力的影響，水庫縱向長度取2倍壩長。泄洪道區域寬度為5m，采用布爾運算減去閘門模型得到泄洪道流場模型。計算區域網格以六面體單元為主，共有節點1132 996個，單元1 082 465個;閘門網格以四邊形殼單元為主，共有節點266 332個，單元199 656個。閘門流固耦合的計算共分0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m等11種開度工況。

2.3 邊界條件和初始條件

水流流場上游端面設置靜水壓力人口，采用自定義函數進行設置;上表面設置大氣壓力人口，與閘門的交界面設置流固耦合邊界條件，出流口設置大氣壓力出口，壁面設置無滑移邊界條件。入口邊界的湍流動能k和湍動耗散率ε根據經驗公式確定。水流流場的初始條件：以閘門弧形表面為分界，上游及水庫區域設置水體體積分數為1.表示該區域充滿水：下游設置水體體積分數為0，表示該區域充滿空氣。計算過程中，監測檢修閘門處流量，達到穩定時計算結束。

閘門在局部開啟工況下，考慮自重和動水壓力荷載，忽略支鉸摩阻力、止水摩阻力等作用。邊界條件考慮支鉸、啟閉桿和側面滑塊的約束，簡化為支鉸圓孔約束軸向、徑向位移為0，吊耳圓孔約束軸向、徑向位移為0，門體側面滑塊處約束法向位移。

3 計算結果分析

3.1 理論公式驗證

閘孔過閘流量與閘前水頭和閘門相對開啟高度有關，理論計算公式[9]為

閘門不同開度下泄洪道流量見表1（0開度條件下，泄流流量為0）。經過比較，理論計算值和數值模擬值誤差在5%以內，表明數值模擬方法合理，結果有效。

3.2 水面形態

水面線作為泄水建筑物設計中的重要參數，計算時位置為體積比函數為50%的水氣交界面[1O]。水體體積分數是計算單元中水體體積與單元體積的比值，存在3種可能：當等于0時，表示該單元中不含水體，即充滿空氣;當等于1時，表示該單元中充滿水體;當介于0和1之間時，表示該單元中存在水氣交界面。溢洪道縱剖面水面形態見圖1。不同開度下，水體體積分數層次明顯，水體體積分數為50%的曲線與溢洪道曲線近似平行。當流量穩定時，水面線平順，水流基本沿溢洪道曲線流出。

3.3 閘門應力分析

不同開度下，閘門動水壓力分布見圖2。在水流作用下，閘門弧面頂部表面壓力最大，隨著水頭的增大，壓力逐漸減小;隨著開度的增大，水流斷面面積增大，閘門的作用面積和動水壓力均逐漸減小。

閘門在不同水位下的變形和應力見表2。由于面板為薄壁結構且受壓面大，因此沿徑向向內凹陷明顯，最大變形在面板下部橫梁與縱梁間的區格中心：最大應力發生在閘門瞬間開啟時，下支臂與橫梁連接處：隨著閘門開度的增大，閘門最大應力呈減小趨勢：當閘門開度較小時，動水壓力較大，閘門沿徑向受壓作用明顯，最大應力在下支臂與支鉸連接處：當開度較大時，水流作用較小，閘門部分結構擋水受壓，最大應力在面板與主縱梁連接處表面。因此，在不同運行條件下，弧形閘門的關鍵部位：瞬間開啟時，下支臂與橫梁連接處;小開度下，下支臂與支鉸連接處;大開度下，面板下部位于主縱梁連接位置的表面。

4 結語

基于ANSYS、Fluent軟件，建立了弧形閘門三維有限元模型，采用Realizable k-ε湍流模型和VOF方法，分析了不同開度下閘門的受力情況，通過與泄流量理論計算值的對比，驗證了數值計算方法的合理性。結果表明，溢洪道弧形閘門瞬間開啟時應力最大，最大應力發生在下支臂與橫梁連接處：隨著開度的增大，動水壓力逐漸減小，最大應力區域發生了變化，應依據不同的工作環境進行閘門設計和加固。

參考文獻：

[1]張維杰，嚴根華，陳發展，等，深孔弧形閘門靜動力特性及流激振動[J].水利水運工程學報，2016（2）：111-119.

[2]曹慧穎，李自沖，馬仁超，等，弧形閘門動水啟閉力數值模擬[J].水利水電技術，2016，47（5）：65-68，79.

[3] 金連根，毛建生，方兵，混流式水輪機轉輪流場單向、雙向流固耦合數值的分析比較研究[J].機電工程，2014，31（12）：1564-1568.

[4] 胡木生，楊志澤，張兵，等，蜀河水電站弧形閘門原型觀測試驗研究[J].水力發電學報，2016，35（2）：90-100.

[5] 補舒棋，唐新軍，三種湍流模型在階梯溢流壩數值模擬中的比較[J].人民黃河，2010，32（7）：141-143.

[6] 劉景，李俊杰，不同開度時溢流壩弧形閘門水流三維數值模擬[J].水電能源科學，2013，31（ 11）：191-194.

[7]周凌九，胡德義，王正偉，可實現性k-8模型在水輪機流場計算中的應用[J].水動力學研究與進展（A輯），2003，18（1）：68-72.

[8]李玲，陳永燦，李永紅，三維VOF模型及其在溢洪道水流計算中的應用[J].水力發電學報，2007，26（2）：83-87.

[9]趙振興，何建京，水力學教程[M].北京：清華大學出版社，2010：47-49.

[10] 牛坤，把多鐸，吳小平，天生橋水電站溢洪道三維數值模擬[J].水電能源科學，2011，29（2）：62-64，132.