闸站合建枢纽对渠道水流流态影响的数值模拟研究

周 迎，肖 瑜，张书花

（1.山东省水利勘测设计院,山东 济南 250013；2.济南市水利建筑勘测设计研究院有限公司,山东 济南 250000）

1 前言

随着我国工农业的迅速发展,当前很多灌区的渠道亟需更新改造来满足灌溉排水需求,比如对渠道进行衬砌处理、断面优化或者修建节制闸及泵站等措施。在渠道上分别布置闸门和泵站[1],经过多年的实际工程验证,一般能保证渠道内进水条件良好、水流平顺。但闸站分建布置占用土地的面积较大,其产生的社会问题包括拆迁、征地、安置移民等问题需要解决[2]；此外有时需要另外开挖引河,其工程投资将大大增加。为了减少闸站分别布置引发的一系列社会问题,现在普遍采用闸站合建枢纽的方式。由于闸站合建枢纽设置在渠道的同一断面上,水流通过枢纽时,水闸和泵站各自单独运行,过水断面突缩和突扩,上下游水流很容易出现偏流、回流和横向水流等不良流态,也会出现旋涡,以上这些不良流态会对渠道内的水流产生不利影响,造成渠道冲刷和泥沙淤积等问题,对渠道的安全运行有很严重的影响[3-4]。

近年来,计算机技术的飞速发展使得数值模拟在水利工程的应用越来越多,与物理模型验证相比其耗费时间和资金需求较少,变更方案和工况参数方便,而且不受试验条件、测量精度等客观条件的限制,并且在边界条件界定、模型构建和求解方法的选择均正确的基础上其计算结果符合物理实际规律[5-6]。本文借助商用软件ANSYS Fluent对某闸站合建枢纽的水流运动进行数值模拟,揭示不同流量和枢纽体型对渠道中水流的影响规律。

2 模型的建立与网格划分

2.1 模型建立

选取某闸站合建枢纽为研究对象,节制闸底板槛顶高程定为-0.50 m。启闭机工作桥布置在闸首中部,宽4.5 m,长16 m,平台高程13.0 m,启闭机室楼梯间布置在节制闸东岸。泵站为双向泵站,功能为排涝及从拦路港引水进行水资源调度。泵型为竖井式贯流泵,单泵流量10 m3/s,设计流量40 m3/s。水泵安装高程-1.15 m。泵站垂直水流方向总宽27.6 m,顺水流方向长29.0 m。采用GAMBIT进行建模,以闸门宽度为18 m为例,其模型见图1。

图1 闸站合建枢纽及渠道三维计算模型

2.2 网格剖分

在CFD进行求解时,对模型划分的网格质量和计算是否准确密切相关。网格单元数较多时,计算结果的准确性能得到保证,但是计算量大,计算时间长；网格单元数较少时,计算结果产生较大偏差。此外网格的类型包括结构化网格和非结构化网格,结构化网格计算精度较高但划分难度大,而非结构化网格几何适应性较好,网格划分简便,但计算精度较结构化网格有所降低。因此,在计算时应合理的选择网格的大小和类型。考虑闸站合建枢纽构造的复杂性较大,本文借助GAMBIT软件对闸站合建枢纽模型进行非结构化网格划分,在关键过流区域进行网格加密,经网格无关性分析确定网格单元数为300万。 图2为计算区域的网格剖分示意图。

图2 计算区域网格示意图

3 流态评价指标

对于闸站合建工程,水闸和泵站一般都是各自运行,当水闸运行进行引水排涝工作时,由于水闸布置在渠岸的一侧,过水断面面积减小,上游水流在泵站前逐渐收缩并向闸门侧集中,水流被挤压,原本顺直的水流流向出现弯曲；水流出闸后,右侧渠道突扩,在渠道的右侧很容易形成回流区,而且回流区的范围较大,严重的最大宽度甚至能占到渠道宽度的一半,回流区在泵站侧,很容易造成泥沙沉积在泵站前,对泵站的运行造成不利的影响。当水流的流量、闸门的宽度发生变化时,闸门对渠道水流的影响也会发生变化,引入动能修正系数 k 来研究相同水位条件下流量和闸门宽度变化对渠道水流的影响。

式中：vm为某一断面水流的最大速度；v为这一断面水流的平均速度；ε 为断面的流速不均匀系数。

4 计算结果分析

4.1 流量变化对闸下渠道水流的影响

为分析不同流量变化对闸后水流的影响,在运行水位为3 m,闸门开度全开条件下,取不同的流量值进行分析,其流量分别取30 m3/s,50 m3/s,70 m3/s,90 m3/s,110 m3/s。为方便分析,将流量通过Q/bh2.5g0.5进行无量纲转化为3.69×10-2,6.15×10-2,8.60×10-2,0.110,0.135。通过对每个流量下枢纽闸后的流场进行计算,采取直接观测流速分布图进行比对和分析动能修正系数变化两者相结合的方法研究不同流量对流态的影响。

图3～图7分别为流量无量纲数取3.69×10-2,6.15×10-2,8.60×10-2,0.110,0.135的流速分布图。从图3中可以看出,水流通过闸门流出后,左侧水流沿翼墙扩散较均匀平顺,右侧水流通过导流墙后,由于渠道突扩,在泵站前形成了一个将近占据渠道一半宽度的回流区,并蔓延至闸后100 m处。水流集中分布于闸门侧的流道,且流速较大,在闸后60 m闸门侧的渠道边坡处开始出现主流脱壁现象,并逐渐形成明显的回流区,而且回流区范围较大,主要位于闸后60 m～100 m处。闸后120 m处水流在流道中的分布逐渐均匀。

图3 流量无量纲数为3.69×10-2的流速分布图

从图4 中可以看出,在流量增加至50 m3/s时,整个渠道内的流速加大,渠道左侧岸坡处出现的水流脱壁现象加剧,水流被挤压至渠道中部,过水断面面积减小；泵站侧形成的漩涡区由于流速的增加被拉长至闸后120 m处,漩涡宽度的增加造成过水断面的减小,水流直到闸后150 m处才开始趋于平顺。

图4 流量无量纲数为6.15×10-2的流速分布图

从图5中可以看出,在流量增加至70 m3/s时,整个渠道内的流速继续加大,与图4 对比,渠道左侧岸坡处出现的脱壁现象减弱,泵站侧形成的回流区的蔓延长度从闸后130 m缩短至闸后100 m。水流到达闸后110 m后逐渐平顺均匀,相比流量为50 m3/s的工况提前了近40 m。图6 和图7 与图5 呈现的规律相同,随着流量的继续增加,渠道内的流速加大,但是渠道左侧岸坡处出现的脱壁现象和泵站侧形成的回流区逐渐减小。

图5 流量无量纲数为8.60×10-2的流速分布图

图7 流量无量纲数为0.135的流速分布图

由以上5种流量的流速分布图可以看出,随着流量的增加,渠道左侧岸坡处出现的脱壁现象和泵站前形成的回流区均加剧,闸后不良流态的存在距离也会延长,但是随着流量继续增加,由于水流的冲击作用,渠道左侧岸坡处出现的脱壁和泵站前形成的回流现象反而逐渐减弱,渠道内水流的不良流态的影响长度也逐渐缩短,当流量无量纲数取值6.15×10-2时闸下出流流态最差,闸后渠道内形成的回流区范围最大,不良流态对渠道的影响长度最长。

为充分研究不同断面的动能变化,在闸后50 m～290 m之间每间隔10m取一个特征断面,合计25个特征断面计算断面ak值。将不同流量下不同断面的ak值绘成折线图,见图8。从图中可以看出,改变流量虽然增大了渠道内的流速,但对渠道内动能的影响并不是很大,换言之流量的改变对闸后水流流速分布均匀性的影响不大；在不同的流量下,闸后170 m处的断面上动能均趋于平缓,可以认为闸后水流的不良流态主要位于闸后3.4 倍的渠道宽度以内。

图8 不同流量不同特征断面的动能变化图

4.2 水闸宽度对闸下渠道水流的影响

为分析不同闸宽变化对闸后水流的影响,在运行水位为3 m、流量50 m3/s且闸门开度全开条件下,保持渠道总宽度不变,取不同闸宽进行分析,并将闸宽转化为无量纲数,具体形式为闸宽比上渠道总宽度,闸宽无量纲数选择0.4、0.5、0.6。通过对每个闸宽下枢纽闸后的流态进行计算,采取直接观测流速分布图进行比对和分析动能修正系数变化两者相结合的方法研究不同流量对流态的影响。

图9～图11 分别为闸宽无量纲数取0.4、0.5和0.6的流速分布图。从图中可以看出,随着闸宽的逐渐增加,泵站侧形成回流区长度和宽度均随之减小,同时渠道左侧边坡处的水流脱壁现象逐渐改善,闸后水流恢复平顺均匀的距离也随之缩短。总之,随着水闸宽度无量纲数的增加,渠道中流态均匀性逐渐改善。

图9 闸宽无量纲数为0.4的流速分布图

图10 闸宽无量纲数为0.5的流速分布

图11 闸宽无量纲数为0.6的流速分布图

为揭示不同闸宽比条件下不同特征断面的动能的变化情况,同样在闸后50 m～290 m之间每间隔10m取一个特征断面,合计25个特征断面计算断面ak值,并将其绘制成折线图,见图12。从图中可以看出,随着闸宽的增加,ak不断减小,说明随着闸宽的增加,闸门对渠道中水流流态的影响逐渐减小。

图12 不同闸宽比条件下不同特征断面的动能变化图

5 结论

基于N-S方程和湍流模型对布置有闸站合建枢纽的渠道建立了三维数学模型,通过CFD数值模拟软件分别计算流量变化和枢纽体型改变对渠道水流的影响。随流量的增加,渠道左侧岸坡出现的水流脱壁现象均呈现先加剧后减弱的变化趋势,水流对回流区的冲击作用使得回流区范围的减小；随着水闸宽度的增加,水闸单独运行时对闸下渠道水流的影响减弱,但是不能盲目的增大闸宽值,应根据实际工程情况而定。