上下游有壓過閘水流數值模擬

宋 偉，何士華 ，沈春穎

(昆明理工大學電力工程學院，昆明 650500)

0 引 言

平面閘門安裝于水閘、泄水孔和水工隧洞等各種水工建筑物的孔口上，具有調節流量，控制上、下游水位的功能，是水工建筑物的重要組成部分[1]。平面鋼閘門底緣結構的設計是平面閘門在設計過程中的一項基礎工作，其形式會直接影響過閘的水流狀態。如果平面閘門底緣結構設計不合理，就會導致過閘水流產生負壓、空蝕破壞和脫流等情況，使閘下部過流條件變差，引起閘門振動，從而威脅平面閘門運行的安全與可靠。在實際工程中，常見的平面閘門底緣形式有4種，詳見圖1所示。

圖1 閘門底緣結構形式 fig1 Gate bottom edge structure type

平底閘門雖然結構簡單、制造方便，但是理論和實踐證明，平底式閘門的過流條件較差，因此適用于一些流速較小、水頭低的閘門使用。水利水電工程鋼閘門設計規范中對水工閘門的底緣傾角結構布置提出了以下要求[2]：工作平面鋼閘門和事故平面鋼閘門下游傾角應不小于30°，當平面鋼閘門支承在非水平底檻上時，其夾角可適當增減。當不能滿足30°要求時，應采用適當補氣措施。對于部分利用水柱的平面鋼閘門，其上游傾角不應小于45°，宜采用60°。

對于閘門底緣結構形式，國內外學者也進行了大量的研究工作。Thang N D[3]于1986年研究了平底式鋼閘門在過閘水流激勵下垂直方向的振動情況，同時得出了閘門垂向振動與閘門的結構形式、閘門開度和過閘水流特性等因素有關。Mohammed A Y[4]研究了不同閘門底緣結構對閘門振動的影響，分析的方向包括閘門的上托力、下吸力和空蝕情況等。國內方面，黃金林[5]介紹了水利工程中平面鋼閘門普遍采用的幾種底緣結構形式，分析了平面鋼閘門底緣形式對過閘水流流態的影響，并介紹了平面鋼閘門底緣結構形式選擇的相關因素以及其適用情況。針對高水頭平面事故閘門的水動力學問題，章晉雄[6]采用物理模型試驗的方法，開展了鋼平面鋼閘門動水關閉的水動力學實驗，討論了平面鋼閘門水頭、流量和平面鋼閘門底緣結構形式對過閘水流的流態及其平面鋼閘門水動力特性的影響。劉昉[7]采用RNG模型和VOF方法，結合動網格劃分技術，對高水頭平面鋼閘門閉門過程中水力學特性進行了數值模擬分析，探究不同平面鋼閘門底緣形式下平面鋼閘門的水力學特性，研究表明：不同的閘門底緣形式對平面鋼閘門啟閉力影響顯著,并得出前傾角底緣結構形式的平面鋼閘門啟閉力最小，其底緣壓力脈動較小，不易出現空蝕破壞。張學森[8]基于流固耦合數值模擬方法,以閘后發生淹沒水躍的潛孔式平面鋼閘門為研究對象,對不同底緣結構形式閘門的啟閉力、底部負壓及靜動力特性進行分析比較。徐國賓[9]采用方程紊流模型與物體移動模型相結合的方法，對平面閘門啟閉過程中的動水垂直力進行了數值模擬研究，以積石峽水電站泄洪洞閘門為例，分析了閘門不同底緣形式和不同啟閉速率在閘門啟閉過程中對動水垂直力的影響及動水垂直力在閘門啟閉過程中的變化規律。Kostecki S W[10]采用渦流法和邊界元法相結合的數值方法，對垂直升力閘門附近的二維流場進行了數值模擬。在實踐中，隧道式平底升船機閘門由于旋渦從閘門底緣分離，以及近尾流速度波動，承受較強的水動力載荷。Thang N D[11]研究了在明渠和入口條件下，不同閘門底和條件下立式升力閘門的非定常載荷和振動特性。在所有情況下，當完全分離與門底流動之間的流動時，振動都發生在特定的速度參數范圍內。迄今為止，關于過閘水流數值模擬的研究大多局限于平底閘門和上下游不全為有壓情況下的數值模擬[12-14]。而針對閘門底緣為不同形狀且上下游為有壓情況下的過閘水流其水流結構以及壓力的變化特征還未有深入的研究。本文根據閘門不同的底緣結構系統地模擬出了不同的閘門底緣結構對過閘水流的壓力分布、流線圖、壓力的全程變化，并獲得了壓力功率譜圖，為水利工程實踐提供參考。

1 計算模型與方法

采用Box濾波函數，對不可壓縮黏性流體運動的連續方程和Navier-Stokes方程組作濾波處理后得：

(1)

(2)

i，j=1, 2

(3)

式(3)中，第1項稱為Leonard應力，第2項為交叉應力，第3項為雷諾應力。Leonard應力和交叉應力影響較小，一般忽略不計。由此，式(2)又可表達為

(4)

關于亞格子尺度應力的計算，本文采用Smagorinsky模型，其定義為：

(5)

2 計算結果和分析

2.1 模型選擇

某平面閘門結構，水閘開度取為0.16 m，設置進口為速度入口邊界條件，其中進口流速為10 m/s；水閘下游設置為壓力出口邊界條件；水流壁面條件選用無滑移條件。流體計算域截取長度為6 m，網格質量均大于等于0.95。圖2(a)為模型的具體尺寸示意圖。圖2(b)圖為第二組閘門及流場網格，網格數量為9 508個。

圖2 模型幾何尺寸及網格剖分(單位：m) Fig 2 Geometric Dimensions and mesh Generation of Model

參照《水利水電工程鋼平面鋼閘門設計規范》的相關規定，按照上、下游傾角角度不同設置為4組：第一組為平底閘門[詳見圖1(a)]，第二組為上游傾角45°，下游傾角30°[詳見圖1(b)]，第三組上游傾角60°，下游傾角30°[詳見圖1(c)]；第四組上游傾角60°，下游傾角45°[詳見圖1(d)]。

2.2 計算結果

本次計算總時間長度為20 s，時間步長間隔為0.01 s。圖3為t=20 s時四組閘門的流場壓力分布云圖。從圖3中可以看出，四組閘門上游壓力遠大于閘門下游壓力，在閘門底緣附近位置壓力迅速下降，閘門后部壓力分布隨時間變化趨于均勻。在t=0.5 s時刻，第二、三、四組閘門底緣的低壓區向下游移動到底緣下游傾角附近。只有第一組平底閘門底部正下方存在明顯的負壓區，而其他三組由于存在一定的傾角，對過閘水流有一定的引流作用，從安全方面考慮，選擇有傾角的閘門的底緣比較合適。

圖3 四組閘門流場壓力分布(t=20 s) fig 3 Pressure distribution of flow field in four groups of gates (t=20 s)

在閘門底緣正中間設置一個監控點，計算四組閘門在全過程中的壓力脈動，如圖4(a)到4(d)所示。從脈動壓力時程圖可以看出，第一組閘門和其他三組雖然壓力變化趨勢相似，其底部底緣存在明顯的負壓區存在，比其他三組的壓力脈動值要大，因此對閘門安全運行有明顯的影響。以監控點為例，第一組最大值為0.445 MPa，第二組最大值為0.407 8 MPa，第三組最大值為0.405 8 MPa，第四組最大值為0.407 9 MPa，其他三組因為結構類似，所以對過閘水流的影響也是類似的。

圖4 四組閘門監測點脈動壓力時程曲線 fig 4 Time-history curve of fluctuating pressure at four groups of gate monitoring points

本次模型選用的是大渦模型(LES)，通過壓力時程曲線計算求得頻譜圖，圖5是四組模型監控點在計算過程中的功率譜密度圖，第一組的主頻最大，其值為4.09 Hz，第二組的主頻為3.55 Hz，第三組的主頻為0.25 Hz，第四組的主頻為2.23 Hz。

因為第二、三、四組閘門底緣都有傾角，所以流線圖類似，所以選取第一組和第二組閘門流線圖進行對比。圖6為所設定的兩組閘門在t=5、10、15、20 s時刻的流線圖，其中第一組平底閘門底緣沒有角度，一開始會存在三個漩渦，隨著時間的推移，漩渦向上游運動，最后穩定的時候在回流區會存在兩個漩渦；而其他三組帶有前后傾角的閘門底部的流線分布有明顯的不同，漩渦由開始的三個，慢慢向上游運動，合成一個大漩渦，因此回流區中只存在一個漩渦。

圖7為第一組閘門負壓區放大圖。沿前緣流動的渦旋粒子從拐角處流過，在門下形成了一條恒定的渦旋路徑。一個渦旋出現在門的底部，過了一段時間后，它從底部邊緣產生，引起邊緣壓力的準周期性變化。旋渦與從門的后邊緣流出的水流

圖5 四組閘門監測點功率譜密度圖 fig 5 Power spectral density diagram of four groups of gate monitoring points

圖6 兩組閘門流線圖 fig 6 Two sets of gate flow diagrams

連接起來，形成更大的相關結構，前緣與渦旋路徑相互作用。然后相關結構向出口方向傾斜，結構的運動影響著后緣的速度場和壓力分布。

圖7 第一組閘門(20 s)負壓區 Fig 7 Negative pressure zone of the first gate (20 s)

3 結 語

(1)四組閘門上游壓力遠大于閘門下游壓力，在閘門底緣附近位置壓力迅速下降，閘門后部壓力分布隨時間變化趨于均勻。只有第一組平底閘門底部正下方存在明顯的負壓區，而其他三組由于存在一定的傾角，它們閘門底緣的低壓區向下游移動到底緣下游傾角附近。從安全方面考慮，選擇有傾角的閘門的底緣比較合適。

(2)第一組閘門和其他三組雖然壓力變化趨勢相似，其底部底緣存在明顯的負壓區存在，比其他三組的壓力脈動值要大，因此對閘門安全運行有明顯的影響。

(3)第一組平底閘門底緣沒有角度，開始會存在三個漩渦，隨著時間的推移，漩渦向上游運動，最后穩定的時候在回流區會存在兩個漩渦；而其他三組帶有前后傾角的閘門底部的流線分布有明顯的不同，漩渦由開始的三個，慢慢向上游運動，合成一個大漩渦，因此回流區中只存在一個漩渦。

(4)在第一組閘門底緣中，沿前緣流動的漩渦粒子從拐角處流過，在門下形成了一條恒定的漩渦路徑。一個漩渦出現在閘門的底部，過了一段時間后，它從底部邊緣產生，引起邊緣壓力的準周期性變化，這就構成了這種機制。漩渦與將從門的后邊緣流出的水流連接起來，形成更大的相干結構，從前緣與漩渦路徑相互作用。然后相關結構向出口方向傾斜，結構的運動影響著后緣的速度場和壓力分布。

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