基于UG-FLUENT計算的淮河入海水道二河新泄洪閘泄流數值試驗分析研究

周振興 吳 成

(江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223200)

1 引 言

泄洪閘作為水利樞紐工程中重要組成部分之一，是水資源控制調度的重要水利設施，研究泄流運營狀態下其流場安全穩定性具有重要作用。泄洪閘由消能池及尾坎等水工結構組成，研究泄洪閘應系統性考慮整體流場狀態。因此，許多水利工程師或學者通過水工模型試驗，設計了適應不同水電站運營下的泄洪閘泄流模型試驗，提升了泄洪閘設計水平。當然，在泄洪閘工程現場安裝流速測試傳感器或靜力監測傳感器等，可獲取工程現場泄洪閘運營過程中的實測數據，研究數據之間的規律性，為其他類似水利工程設施設計運營等提供參考。相比而言，數值方法較為高效，且可用來研究較為復雜工況下的泄洪閘泄流運營情況，對提升泄洪閘的泄流認識具有重要作用。本文借助三維建模軟件與流體分析后處理軟件，研究不同泄流工況下淮河入海水道二河新泄洪閘的水力特性，為揭示泄洪閘泄流時流場特征提供一定參考。

2 泄流數值計算理論

泄洪閘正常泄流運營時，按照流體力學理論，其紊動能與耗散率可采用雙方程形式表述

(1)

式中ui、uj——流速，m/s；

k——流場特征參數，紊動能；

CD、μt、μ——與流場相關的特征參數；

σt——體力，N。

而方程中重要流場特征參數耗散率可表述為

(2)

聯立以上方程可得到流體介質傳輸運動方程為

(3)

(4)

式中Cμ——常數；

Ck、Gb——與紊動能有關的參數項；

YM——流場擴張項參數。

在上述方程基礎上，獲得N-S方程為

(5)

式中Fx、Fy、Fz——體力分量，N；

p——壓力，Pa；

τii——黏性力分量，Pa。

綜合動量與能量守恒原理，則雙特征參數流場特性的方程可歸納總結為

(6)

式中 Г、S——能量參數系數；

在FLUENT后處理軟件計算過程中，以有限元離散插分為原則，如下

(7)

式中A——矢量斷面截面積，m2；

另結合梯度離散化方程如下：

(8)

求解獲得每個網格單元體的參數解，以線性化表述為

(9)

式中αp、αnb——離散后線性系數。

另流場域內自由水面按照流體介質的運動限制特點，確定其自由界面方程為

(19)

式中aw——自由界面高度，m。

在上述理論分析基礎上，借助FLUENT后處理軟件，計算每個單元體流場特征，并限定在邊界約束條件內，獲得整個研究模型的流場特征。

3 工程概況

淮河入海水道是江蘇濱海城市重要輸水線路工程，承擔著區域內水資源調度以及豐、枯水季供應，全長168km，設計運營洪水流量800m3/s，下游建設有泄洪閘等水利設施，其中二河新泄洪閘是工程線路上一級控制水閘，采用鋼筋混凝土材料澆筑形成，設計為多孔式，共10孔，總寬度超過120m，泄洪閘尾端建設有消能池，降低水力沖刷對水工建筑結構的損害，另在泄流區段兩側設置導墻結構。二河新泄洪閘位于壩體右岸，閘頂高程約為1555m，各孔間距為15m，以閘墩為基本承重構件，閘墩分布在閘室兩側，每根閘墩厚度約為2.4m，下部建有承重平臺與閘室接觸，閘室底部高程為1538.5m。工程現場監測表明，控制閘正常運營期間，泄流量最大為2270m3/s，根據不同洪水發生頻率，泄流量可適應性調整，其中30年一遇洪水泄流量最大可為2890m3/s。本文針對輸水線路上游不同水位條件下泄流量的變化，研究各工況中流場分布特征。

為了更好開展數值試驗，需了解該泄洪閘所處工程現場基本地質狀況，從地質勘察資料中得知，所處區域內無顯著破壞性地質構造活動，僅在泄洪閘左側翼墻岸坡上見有延伸較短的向斜，穩定性較好，無破碎帶夾層。工程場地表面覆蓋土層為第四系填土層，厚度最大為2.8m，顆粒分選性較好，密實性較差，但在局部地區較為密實，主要是河流沖刷搬運碎石結構填充后，密實度提高；在該土層下分布有粉土層，厚度為2.6～3.8m，含水量中等，室內重塑后密度可達1.8g/cm3，另該土層承載力較表面覆蓋土層要高，作為泄洪閘下游導墻地基持力層；再下一層土體主要為粒徑不同的砂礫石土，愈接近基巖層，粒徑愈大，最大粒徑超過5.6mm，析水性較高，冬天溫度較低時并不會出現凍脹破壞。基巖層主要巖性為片麻巖，室內測試表明，密度較大，強度較高，孔隙度最低僅為0.3%，水流在基巖裂隙層活動性較弱。在上述工程資料基礎上，本文開展建模數值試驗，研究二河新泄洪閘泄流運營期水力特征。

4 泄流水力特性分析

4.1 建模及研究工況

利用UG軟件按照泄洪閘設計圖建立其三維幾何模型，簡化其中部分對泄洪閘水力特性影響較小的水工結構，獲得如圖1所示幾何模型。利用UG建模軟件，添加邊界約束條件后，可較快劃分出流場分布區域，校核洪水位下流場分布域與邊界條件見圖2。二河新泄洪閘閘門為弧形閘門，而針對平面式閘門及其他類型閘門設計結構，其流場特性受到上、下游同一底緣高度、傾角、門槽等參數影響，而對比平面或弧形閘門，其相關參數限于不在同一水平，無法比較，因而本文僅對弧形閘門這類泄流水力特性開展分析研究。

圖1 泄洪閘幾何模型

圖2 流場分布域及施加邊界條件后模型

利用Workbench工作平臺劃分幾何模型單元網格，以SOLID65作為基本單元體，共獲得單元網格數4688642個，節點數826458個，劃分后數值模型圖見圖3。本文主要研究校核洪水位、設計洪水位、30年一遇洪水位和5年一遇洪水位四個工況，所處工況條件下泄洪閘控制泄流量分別為3291m3/s、2987m3/s、2384m3/s和2270m3/s。

圖3 劃分網格單元后數值模型

4.2 流場特征計算分析

4.2.1 水面線

根據FLUENT后處理計算獲得流場自由水面，不同泄流工況下自由水面分布云圖見圖4，另給出各工況水面線在斷面縱向長度上對比，見圖5。從圖4中可看出，各工況下水流場與氣相場分界線較為顯著，流場與氣相場分布形態在各泄流工況下具有相似之處：泄流閘前水流均較為穩定，此時流態流線均為均勻水平狀態；經泄流閘后，由于過水斷面截面積減小，流速增大，傾向于往下游靠近，相比氣相場，流場占比減小，水面線降低，各工況下第一次水面線降低均發生在泄洪閘斷面0m處；經泄流閘過水斷面后進入消能池，過水斷面有所增大，水流場在斷面中占比逐漸增大，水面線故而上漲；但在進入下游兩側導墻區域后，水面線均會二次下降，其中校核洪水位工況下水面線二次下降發生在斷面110m處。從圖5中可看出，各工況下水面線二次下降所處位置均有一定差異，設計洪水位發生在斷面115m處，30年一遇和5年一遇洪水位發生在71.5m處、103.5m處，上游水位愈高，水面線二次下降所處位置更靠前。

圖4 流、氣相場分布云圖

圖5 各工況水面線變化曲線

4.2.2 壓強特征

四個泄流工況中泄洪閘垂線方向上壓力分布云圖見圖6。從圖6中可看出，流場內壓強特征分布與水面線具有相似之處，各工況中均未出現負壓現象，消能池內由于水流受到低勢能流體包裹，整體壓力水平增大，而在尾端導墻和尾坎影響下，水流運動會進一步激發，壓力面會稍增大。各工況中壓強特征差異見圖7，壓強在斷面上變化走向趨勢基本一致，均呈“先減后增至穩定再降至穩定”變化，但各泄流工況下在第一次降低階段減少幅度有所差異，校核洪水位和設計洪水位下壓強一次下降幅度約為21.4%、49.7%，而30年一遇和5年一遇洪水位下降幅度分別為19.3%、12.9%，一次壓強下降主要由泄洪閘過水斷面積減少影響，分析表明在常遇洪水位下壓強降低受泄洪閘節制影響較弱。另從壓強一次增長至穩定狀態來看，校核洪水位下壓強穩定在140kPa，30年一遇和5年一遇洪水位壓強分別穩定在120kPa、110kPa，穩定階段變化幅度較小，均低于4%，但設計洪水位下該階段壓強呈穩定上漲，增大幅度約為28.4%，壓強分布在95～122kPa。分析表明，上游水位愈高，則進入消能池后被勢能愈低的水流淹沒程度更佳，壓強分布更趨于穩定，但在設計洪水位下，由于上游水位處于較為安全狀態，泄流進入消能池后，能量不高的水流并不會被消能池中水流完全淹沒，仍具有一定自主運動能量，因而壓強會相對持續增長。

圖6 泄洪閘壓力分布云圖

圖7 各工況壓強在斷面縱向長度變化對比

4.2.3 流速特征

本文以各工況中泄洪閘垂線縱向斷面上33.5m、71.5m、150m三個位置為流速分析特征斷面，其中斷面150m為泄洪閘閘室末端，斷面33.5m、71.5m分別為消能池首、尾端，獲得圖8所示結果。從圖8中可看出，經泄洪閘過水斷面約束后，進入消能池流場內自底部至頂部，流速呈先增后減，校核洪水位和設計洪水位工況峰值流速分別為8.06m/s、8.47m/s，30年一遇洪水位峰值流速分別為前兩者的92%以及88.2%，且頻率愈低，流速愈小；分析是由于常遇洪水位上游水位較高，在泄洪閘內節制后，受到顯著影響，勢能轉換效率降低，動能減小，流速較低。在消能池尾端可顯著看出，各工況下尾端流速低于首端，設計洪水位下首端流速為8.47m/s，尾端流速相比降低了36.6%，達5.37m/s，在校核水位與30年一遇和5年一遇洪水位下尾端相比首端流速減小幅度分別為16.4%、28.2%、18.5%。分析表明，水流進入消能池后，在勢能轉換與低流速水流淹沒影響下，流速會逐漸降低，呈現消能池尾端流速低于首端，即達到消能降力效應。在閘壩末端150m處，各工況下流場內流速變化特征幾乎一致，但峰值流速以校核洪水位工況下為最大，達12.26m/s，常遇洪水位下流速較低，僅為前者的64%，表明上游水流經泄洪閘泄流后，流體動能大大降低，流場穩定性較佳，泄流安全性能較高。

圖8 各工況流速-水深變化曲線

5 結 語

a.研究了流場內水面線分布特征，各泄流工況下水、氣相場界線顯著，水面線受泄洪閘節制與導墻尾坎影響，會經歷兩次下降，但二次下降位置與泄流工況有關，上游水位越高，二次下降所處位置越靠前。

b.研究表明：流場壓強分布特征與水面線變化具有相似之處，各工況中均未出現負壓，壓強在閘室斷面上均呈“先減后增至穩定再降至穩定”變化，常遇洪水位一次下降階段幅度較低，30年一遇、5年一遇洪水位下降幅度分別為19.3%、12.9%，消能池內校核與常遇洪水位下壓強穩定性更好。

c.分析了各工況中流速特征，消能池首端處峰值流速受常遇洪水影響，常遇頻率愈低，流速愈小，30年一遇洪水位峰值流速分別為校核洪水位和設計洪水位的92%、88.2%；各工況中消能池尾端 流速均低于首端，設計洪水位下尾端流速相比首端降低了36.6%；各工況閘壩末端流速變化基本一致，但以校核洪水位工況下流速為最大，達12.26m/s。