弧形凸體門槽水流特性研究

摘 要：閘門作為一種節(jié)流裝置，作用于各種水工建筑物的孔口上。水流在經(jīng)過門槽時，由于水流邊界的突然變化，導致流態(tài)復雜，易發(fā)生空化水流，導致附近的邊墻出現(xiàn)空蝕現(xiàn)象。本文采用SST k-ω紊流模型對門槽附近的水流特性進行了數(shù)值模擬研究，主要內(nèi)容包括：在不同的流速下，門槽內(nèi)設置各種高度得弧形凸體對門槽內(nèi)漩渦形態(tài)變化，渦心壓強，邊壁壓強的變化。研究表明，門槽內(nèi)設置梯形凸體可以減弱門槽內(nèi)漩渦范圍，隨著弧形凸體高度的增加，漩渦范圍逐漸減小;漩渦中心負壓值和邊壁負壓值在h3=D/6附近達到最低峰值;凸體弧形段邊壁出現(xiàn)較強的低壓區(qū)。

關鍵詞：門槽;空化;漩渦;凸體;壓力;數(shù)值模擬

1 緒論

平板閘門結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝和運輸方便，造價低，是被廣泛應用的一種門型。水流流經(jīng)門槽時 ，會在在門槽內(nèi)出現(xiàn)立軸漩渦，發(fā)生漩渦型空化;在門槽下游，水流有脫離邊壁的趨勢，形成分離型空化[1，2]。分離型空化進一步發(fā)展會出現(xiàn)空蝕破壞。

門槽附近水流流態(tài)復雜，門槽內(nèi)的漩渦是影響門槽空化問題的主要因素，其壓力和流速變化直接影響水流空化數(shù)。如何解決門槽的氣蝕破壞，已成為水利行業(yè)技術中的關鍵技術，近年來國內(nèi)很多學者針對門槽內(nèi)流場進行了數(shù)值模擬研究。王汝權，孫建安[3]等人用守恒型格式結(jié)合多層網(wǎng)格法求解流函數(shù)方程，模擬方腔內(nèi)渦流，具有較好的穩(wěn)定性和較快的收斂速度。何士華，張立翔[4]等采用大渦模擬方法對水工平面閘門門槽區(qū)湍流場進行了計算分析，系統(tǒng)模擬了門槽的寬深比等幾何參數(shù)變化對門槽內(nèi)部及其附近水流的水力特性的影響。

在門槽順水流方向壁面設置突體可以改善門槽內(nèi)漩渦強度，突體的形狀會影響其影響效果。突體的體型不夠平順，會在門槽內(nèi)形成新的分離型低壓區(qū);突體的高度偏高，突體兩側(cè)會形成新的漩渦，流態(tài)更為復雜。本文運用數(shù)值模擬分析方法，研究弧型突體對門槽內(nèi)漩渦及門槽角隅后低壓區(qū)造成的影響。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算區(qū)域及邊界條件

計算區(qū)域設置：計算區(qū)域為10m×20m，門槽設置在兩側(cè)，門槽深度D=2m，寬度W=4，槽內(nèi)設置不同高度凸體。

入口邊界條件選擇速度入口;出口邊界條件選擇壓力出口。

設定出口處壓強為1標準大氣壓;壓力參考點為入口附近，流場內(nèi)壓力為相對于參考點的相對壓力;

2.2 數(shù)值模擬工況

門槽寬度W=4m，門槽深度D=2m，錯距為Δ=0.05m。弧形凸體位于門槽內(nèi)邊壁的中心處，底邊L=2m，取不同半徑的三段圓弧。

為研究弧形凸體對漩渦中心分壓和門槽壁面壓力的影響，取h0=0、h1=D/6，h2=D/3，h3=D/2四種體型，h0=0相當于門槽內(nèi)不設置凸體，h3=D/2時，凸體為半圓形;模擬四種流速10m/s、20m/s、30m/s和40m/s。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

3.1 門槽漩渦

圖1為流速v=35m/s下，不同凸體體型的門槽內(nèi)水流流線圖。門槽內(nèi)增設弧形凸體后，槽內(nèi)的漩渦會變成兩個旋渦，下游側(cè)的得漩渦定義為主漩渦。上游側(cè)出現(xiàn)的小漩渦為次漩渦。

由圖1（b）—（c）可看出，隨著凸體h的增大，主漩渦漩渦半徑逐漸減小，漩渦渦心位置有向下游方向移動，次漩渦的漩渦半徑也逐漸減小，渦心位置基本未發(fā)生變化。

圖2是不同流速時主漩渦中心負壓隨凸體高度的變化。可以看出，在四種流速下主漩渦得變化趨勢相同，中心負壓值先減小后增大，速度越大，趨勢越明顯，在h3=D/6附近處，負壓值達到最低，而后開始緩慢上升。

下表為次漩渦中心壓力隨凸體高度的變化。可以看出，流速在10m/s-40m/s的范圍內(nèi)，渦心壓力為正值;在相同流速下，次漩渦中心壓力隨體型變化幅度較小;次漩渦渦心壓力值仍遠大于主漩渦渦心壓力值。

3.2 邊壁壓力

圖3為邊壁壓力隨弧形凸體高度的變化。可以看到，隨流速增加，邊壁負壓極值增大;隨著弧形凸體高度的變化，負壓值在D/4附近處出現(xiàn)最高峰值，寬深比繼續(xù)加大，負壓有下降的趨勢。模擬流速越大，邊壁得負壓值越大;與梯形凸體不同，邊壁負壓極值要大于漩渦中心壓力值。

梯形凸體方案中門槽邊壁的低壓區(qū)是由主漩渦渦心低壓造成的，其負壓值要小于渦心負壓。由圖1（a）—（b）可以看出，門槽內(nèi)增設弧形凸體后，受弧形曲率的影響，凸體弧形段邊壁出現(xiàn)低壓區(qū)，其負壓值要大于渦心負壓，其發(fā)生點在弧形段下游1/4處。

4 結(jié)語

通過數(shù)值分析模擬得到如下實驗結(jié)果：

（1）門槽內(nèi)設置梯形凸體可以減弱門槽內(nèi)漩渦范圍，隨著弧形凸體高度的增加，漩渦范圍逐漸減小。

（2）凸體高對漩渦中心負壓值的影響呈先減小，后增大的變化趨勢;當h3=D/6左右時，負壓出現(xiàn)極值;邊壁處最低負壓值與渦心負壓值的變化曲線相似，但邊壁負壓小于渦心負壓。

（3）門槽內(nèi)設置弧形凸體會惡化門槽內(nèi)水流的壓力特性，隨著弧形凸體高度的增加，主漩渦漩渦強度逐漸降低，漩渦渦心位置發(fā)生變化，漩渦中心負壓值先增大，后減小;門槽內(nèi)增設弧形凸體后，受弧形曲率的影響，凸體弧形段邊壁出現(xiàn)較強的低壓區(qū)，其負壓值要大于渦心負壓，發(fā)生點在弧形段下游1/4處。

參考文獻：

[1]CHARWAT A F，DEWEY C F，et al.An investigation of separated flows[J].Journal of Aero-space science，1961，28（6）：457-470.

[2]倪漢根，陳霞.凹槽的旋渦及初生空化數(shù)的估算[J].水利學報，2000，（2）：16-21.

[3]王汝權，孫建安.驅(qū)動方腔內(nèi)渦流的數(shù)值模擬[J].空氣動力學學報，1989，9（3）：298-300.

[4]何士華，張立翔.門槽幾何參數(shù)對團流暢低壓效應的大渦模擬[J].系統(tǒng)仿真學報，2015，（5）.

作者簡介：崔潤（1984—），男，漢族，吉林安圖人，碩士，助理工程師，從事水利水電工程設計工作。