下土寨分水闸不同开度下的三维水深模拟

郭彩华，张 勇，宋晓晔

(太原理工大学 a.水利科学与工程学院，b.教务处，c.环境工程学院，太原 030024)

下土寨分水闸不同开度下的三维水深模拟

郭彩华a，张 勇b，宋晓晔c

(太原理工大学 a.水利科学与工程学院，b.教务处，c.环境工程学院，太原 030024)

结合工程实际建立了下土寨分水闸三维造型,根据水力学理论进行相关边界条件设定，同时对不同来流条件及闸门开度下的下土寨分水闸流场进行三维流动水深模拟分析。结果表明，三种工况下水深的模拟结果与相关资料吻合度均符合工程要求，后两个工况结果有部分出入的主要原因是模型建立时对分水闸前后延伸的距离简化所致。该模型的求解可为该工程段的设计提供理论参考,也可为类似的工程设计提供借鉴。

下土寨;分水闸;三维构造;闸后水深

水资源特有的时空分布促使国内外众多跨流域、跨地区的大型引水工程建设和运行。继“中央河谷工程”和“雪山工程”等国外典型水利工程的成功运行之后,我国的“南水北调工程”和“万家寨引黄工程”等引水工程也在我国的国民经济社会发展中逐步开始发挥重要作用[1-3]。通过闸门启闭来控制水位和流量,是实现河道、水库等引水工程对来流进行调度的一项重要技术措施。随着计算机模拟技术的不断提高,对水利工程进行智能化分析已成为水利工程领域的重要研究手段[4-5]。由于分水闸启闭形式的复杂多变性及实际运行工况的不确定性,数值模拟对此类问题的研究逐渐受到重视[6]。笔者结合万家寨引黄工程概况,依托相关水力学理论对下土寨分水闸进行建模,并通过闸后水深的计算分析对模型进行验证,旨在为类似工程设计提供参考依据。

1 工程概况

下土寨分水闸位于万家寨引黄工程总干线、南干线、北干线的交汇处,也是北干线首部建筑物。分水闸设有南干线及北干线两孔闸。北干闸室闸孔尺寸3.8 m×4.2 m(宽×高),闸底板高程1 283.23 m。闸后接北干1号隧洞。分水闸南干闸室闸孔尺寸4.0 m×4.2 m(宽×高),闸底板高程1 282.95 m,后接南干隧洞。分水闸水平投影及流场剖面位置示意图如图1所示。

图1 分水闸水平投影及流场剖面位置示意图

2 模型建立

2.1 分水闸模型构建

分水闸的三维造型及边界条件设定见图2。三维模型利用GAMBIT建造,网格采用适应性好的四面体网格,数目为15万。在总干线上游隧洞前加一段引入段,用以保证水流可以平稳地流入分水闸区,从而与实际情况相符。同时在引入段的最前端加一堰池,用以设定水流的入流边界条件。同时在南干线与北干线下游各加一堰池,用以设定水流出流边界条件,南干线出口面积10 m2,北干线出口面积9.5 m2。

图2 分水闸的三维造型

2.2 分水闸模型求解

湍流模型采用标准k-ε粘性模型,因上部有气液交界面,对自由液面的描述采用VOF模型。计算采用非定常模型,采用PISO算法进行计算。总干线引入段最前端的堰池边界给为压力进口边界,介质为水。压力进口边界需要给定进口的总压,具体数值根据总干线的流量与水深计算确定，如下式：

南北干线下游堰池边界给为速度进口边界,介质为水。由于此处为出流边界,所以给定的速度值为负值,具体数值根据南干线与北干线的流量分别计算确定。将闸室的顶部设为空气出流边界,该边界给为压力出口边界,介质为空气。设定其相对大气压力为零。对以下三种情况进行计算如表1所示。以上3种工况的边界条件设置具体如表2。

表1 工况列表

表2 各工况的边界条件

3 试验结果与分析

在上游压力进口边界的流量、下游速度进口边界的压力稳定后,即可认为流场接近于长时间运行的稳定状态,可用于各问题的分析。试验结果主要对各工况稳定状态下的液面高程云图和干线水深校核图进行分析。

3.1 不同工况的液面高程云图

对模拟结果进行后处理得到不同工况的液面高程云图如图3所示。图中Z为高程(m)。

从以上结果可以看出,工况(一)整个流场比较平顺,总干线和南干线计算水深也与资料所给的数值较接近。工况(二)南干线部分流场比较平顺。北干线部分由于闸门开度很小,在闸门上游产生了明显的回流,闸门上下游水位差较大,因此水流经过闸门后速度较大,在进入北干消力池时出现了水跃。工况(三)整个流场都比较平顺,由于北干线闸门开度较大,整个流场平稳后,闸门没有闸入水中,因此对流场的没有干扰。

3.2 不同工况的干线水深校核图

对模拟结果进行后处理得到不同工况的干线水深校核图如图4所示。

图3 不同工况的液面高程云图

图4 不同工况的干线水深校核结果图

从以上结果可以看出,工况(一)的总干线与南干线闸上水深与资料所给的数值最为接近;工况(二)总干线与北干线闸上水深与资料所给的数值比较接近,其余位置水深有一定的差距。工况(三)水深与资料所给的数值有一定差别。考虑原因是由于在进行CFD计算时,考虑到计算量,对分水闸前后延伸的距离不长,与实际情况不太吻合,同时所给的资料中并未提及在实验测量数据时具体的边界条件,边界条件会对CFD计算的结果产生一定影响。

4 结论

1) 3种工况下的液面高程云图均符合实际液体流动规律,对比模拟水深值与实际水深值可以看出误差均在允许范围内,说明该模型的建立和求解是合理的,可用于其它水力要素的参考分析。

2) 通过模拟发现，工况(一)的流场最为平稳，工况(二)和工况(三)出现的水流回流导致水位雍高并产生水跃等水力学现象,在工程运行过程中应予以重视。

3) 对于其他运行工况,可通过数值模拟结合试验验证的方法进行进一步分析探讨,从而掌握流量-开度-水位之间的关系。

本文的研究成果可为工程运行提供参考依据,也可为类似工程提供参考借鉴。

[1] 穆祥鹏,练继建,刘瀚和.复杂输水系统水力过渡的数值方法比较及适用性分析[J].天津大学学报,2008,41(5):515-520.

[2] 吴卫,季永兴,王瑟澜,等.苏州河河口水闸平面二维水流数值模拟[J].水利水电科技进展,2007,27:52-55.

[3] 潘忠良.某水闸消力池自由液面数值模拟的研究[J].浙江水利科技,2008,(6):25-27.

[4] 李大勇,董增川,陈方.南水北调东线工程东平湖至济南段水流模拟建模研究[J].水利水电科技进展,2006,26(2):1-4.

[5] 白正裕,王必胜,赵喜萍.万家寨引黄工程的调度控制和运行[J].人民黄河,2003,25(6):5-6.

[6] 桑雷,桑涛,方森松.低水头泄水闸消力池三维紊流数值模拟[J].湖南交通科技，2011,37:181-185.

[7] 吴持恭.水力学:上册[M].北京:高等教育出版社,1998.

(编辑：贾丽红)

Research on the 3D Depth Simulation Calculation of XiatuzhaiDistribution Structure under Different Opening

GUO Caihuaa,ZHANG Yongb,SONG Xiaoyec

(a.CollegeofWaterConservancyScienceandEngineering,b.TeachingAffairsSection,c.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China)

The 3D modelling is established in combination with the engineering practice,by referring to the theory of hydraulics to set relevant boundary conditions.For Xiatuzhai distribution structure the three-dimensional flow field is analysised to simulate the flow depth under different flow condition and gate opening.The results show that under three kinds of working conditions the simulation results of water depth are in agreement with related data,meeting the requirements of the project; The discrepancy for the latter two kinds of working conditions is mainly due to the simplification in the extended distance before and after the distribution structure.The solving of the model can provide theoretical reference for engineering design of the project,also can provide reference for similar engineering design.

Xiatuzhai;distribution structure; three-dimensional structure;water depth after brake

1007-9432(2015)06-0780-03

2015-05-28

国家自然科学基金：管道缝隙螺旋流水力特性研究(51109155)

郭彩华(1958-),女,山西昔阳人，副教授，主要从事流体力学的研究，(Tel)18334706189

TV133

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.06.026