水工附环闸门闭门过程水力特性数值模拟研究

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(1.长江科学院 水力学研究所，武汉 430010；2.华南理工大学 电力学院，广州 510640)

水工附环闸门闭门过程水力特性数值模拟研究

文林森1，王才欢1，杨伟1，陈东新2

(1.长江科学院 水力学研究所，武汉 430010；2.华南理工大学 电力学院，广州 510640)

基于VOF方法对某水电站中孔事故附环闸门闭门过程进行数值模拟研究。采用三维标准k-ε紊流数学模型模拟计算了相关水流特性，通过对闸门区流道、门叶孔道以及闸门井内流线运动、流速分布、压强分布及门叶所受动水荷载等进行计算分析，得到了事故闸门闭门过程中的相关水力参数随闸门开度变化的曲线。研究成果可为类似闸门体型的设计运行以及工程体型优化提供依据。

附环闸门；VOF方法；k-ε紊流数学模型；动水荷载；水力参数；闸门开度

1 研究背景

闸门作为泄水建筑物的重要组成部分之一，其开启或关闭的动态过程中水力特性的变化对建筑物安全十分重要。了解闸门开启或者关闭过程中相关水力参数的变化规律对闸门体型的设计运行以及工程体型优化都有着深远的意义[1-3]。附环闸门是比较新颖的一种闸门型式，其增设的附环结构使得闸门开启时门槽部分得到回补，从而使得整个流道呈圆形断面[4]。在高工作水头下，水流出闸流速大，高速水流使门槽易出现空蚀空化问题，而附环闸门由于其独特的圆形断面流道，相当于泄洪时无门槽，可相应地减轻或避免空蚀空化问题。

当前由于附环闸门在工程设计中的应用相对较少，故对于该种型式的水工闸门研究还不是很全面。在此情况下，对该类新型水工闸门的研究显得意义深远。本文采用三维标准k-ε紊流数学模型[5]模拟计算事故闸门闭门过程中的相关水力特性，较为全面地给出了流线运动、流速分布、压强分布及门叶所受动水荷载等水力参数的变化规律，分析其可能存在的一些问题，为工程设计提供参考。

2 数学模型

本文采用三维标准k-ε紊流数学模型模拟附环事故闸门流道水流流场，模型所用的控制方程如下。

连续方程，

(1)

动量方程，

(2)

k方程，

Gκ+Gb-ρε-YM+Sk;

(3)

ε方程,

(4)

式中：t为时间；ui，uj，xi，xj分别为速度分量与坐标分量；ν为运动黏性系数;νt为紊动黏性系数,νt=ρCuκ2/ε；ρ为修正压力；fi为质量力；Gκ为平均速度梯度所引起的紊动能产生项;Gb为浮力影响引起的紊动能产生项；YM为可压缩紊流脉动膨胀对总耗散率的影响；C1ε，C2ε，C3ε为经验常数；σk和σε分别是与紊动能k和耗散率ε对应的Prandtl数；Sk和Sε是用户定义的源项。

自由面采用VOF方法[6]进行处理，令函数αw(x,y,z,t)代表控制体积内水所占的体积分数，αa(x,y,z,t)代表控制体积内气所占的体积分数。两者之和为1，即

αw+αa=1。

(5)

对于单个控制体积，存在3种情况：αw=1表示该单元被水充满；αw=0表示该单元被气充满；0<αw<1表示该单元水、气并存，且存在水、气交接面。显然，自由面问题为第3种情况。αw是水的体积分数，其梯度可用来确定自由面的法线方向。计算出各单元的αw值及梯度之后，就可确定各单元中自由边界的近似位置。

水的体积分数αw的控制方程为

(6)

求解该连续方程完成对水气界面的跟踪。

表1 不同开度下闸门受力及各测点压强Table 1 Forces of the gate and pressure values of each measuring point in the presence of different openings

3 计算区域网格及边界条件

图1 模型示意图Fig.1 Sketch of model

数模选取事故附环闸门作为主要研究对象。上游模拟至水库前50 m，后接整个压力管道段、事故门井、门后水平段及变管径段，为确保计算收敛性，在压力管道后衔接100 m长下游河道。事故闸门附环尺寸为直径D=5.44 m，管道底部高程749.88 m，模拟库水位H库=875.0 m闸门关闭过程工况，模型整体情况见图1。

附环闸门在闭门过程中，其门井段的水流边界条件比较复杂，当门叶的环孔圆心与泄洪孔道中心重叠时，附环闸门处于全开状态；随着闸门的关闭,通过门叶的水流孔道从圆孔形逐渐变为眼睛形，最终闭合断流。在门井的上游壁面上，沿泄洪孔道的圆周布置了环形止水结构，在附环闸门闭门过程中，环形止水结构与门叶之间、门井上游壁面与门叶之间均形成缝隙流；在门叶的下游，泄洪孔道的钢衬伸出门井下游壁面，形成环形体，在门叶与门井下游壁面及环形体之间形成缝隙流。另外，在门叶的左右两侧，还布置了众多的水平支撑板，其与门井左右壁面之间也会形成缝隙流。这些特殊的结构及水流运动决定了网格划分的艰巨性。在网格划分中为了保证计算稳定并快速收敛，采用六面体结构网格，并将门井段切成大小不同的众多小块进行细部划分。鉴于门井段是计算重点关注区域，门叶前缝隙段网格尺寸仅2.3 mm，网格十分密集。附环闸门关闭至相对开度0.6时的门井段局部网格示意图见图2。

模型以上游水流边界为库水位，设定为压力入口边界；下游河道出口按照一定的水位设置为压力出口，水位的设定保证压力管道出口为自由出流，该模型中设定的下游河道水面线低于压力管道出口底高程7 m；与空气接触的边界为大气压力边界；其他均做固壁边界处理，固壁边界规定为无滑移边界条件。

4 计算结果分析

4.1 压强分布

定义闸门水平方向所受荷载沿水流方向为正，反之为负；闸门竖直方向所受荷载以使吊杆受拉为正、受压为负。数模计算了闭门过程中不同开度下闸门水平方向及竖直方向所受荷载大小(不含门重)及闸门环孔、流道各测点压强,如表1、表2及图3、图4、图5所示。

表2 闸门不同相对开度时的门井前后管道各测点压强Table 1 Pressure values of each measuring point in the pipeline in front of and behind the gate well in the presence of different relative openings of sluice gate

注：各测点距离门井壁面均为0.1 m

图3 不同相对开度下闸门动水荷载曲线Fig.3 Curves of hydrodynamic load in the presence of different relative openings

图4 不同相对开度下各点压强曲线Fig.4 Curves of pressure on each point in the presence of different relative openings

图5 不同相对开度时的门井后管道最底部压强沿程分布Fig.5 Curves of pressure on the bottom of pipeline behind the gate well along the path in the presence of different relative openings

从表1、表2及图3、图4、图5可看出，随着闸门逐渐关闭，压力管道泄流量逐渐减小；闸门水平所受荷载逐渐增大，竖直方向荷载呈先增大后减小趋势，在0.7，0.8开度时竖直方向荷载达最大；随着闸门逐渐关闭，闸门环孔顶部靠近上游一侧及靠近下游一侧的两点压强迅速减小，在闸门关闭至0.8～0.7开度时，环孔顶部测点的压强已处于真空状态，随后测点压强上升并呈波状变化，其最低压强未低于-1.0×9.81 kPa；在门叶的环孔底部及侧壁，各测点的压强变化规律基本一致，压强都较大，均在27×9.81 kPa以上；门井后流道顶部测点的压强也随着闸门逐渐关闭而迅速减小，当闸门开度在0.7附近时，测点压力已处于真空状态；当闸门关闭至0.6开度时，由于流道出口与外部大气贯通，闸门后管道顶部测点的压强迅速上升，基本上都处于补气小负压状态，其负压绝对值均<0.3×9.81 kPa。鉴于数值模拟计算时未考虑闸门后通气管的自动补气功能，闸门后管道顶部测点压强在开度0.8～0.7时出现较大负压应为虚拟状态，实际的负压值应小一些。

从表2中距离事故闸门井前后边壁0.1 m的流道各测点压强与闸门开度关系来看，门井前管顶及管道腰部测点的压强变化规律均随闸门的关闭而增大；门井后管顶及管道腰部测点的压强则是先迅速减小，在开度0.8～0.7时形成真空状态，然后在开度0.6附近恢复至(4～6)×9.81 kPa的压强，之后压强基本在零压附近波动；门井前后管底两测点的压强，在开度1.0～0.7区间，两测点压强缓慢减小，在开度0.6附近压强分别突然跃升约20×9.81 kPa，10×9.81 kPa，之后，门井前测点压强逐渐增大，而门井后测点压强则逐渐减小。

从图5的门井后管道最底部沿程压强分布可看出，在事故闸门不同开度时，门井后管道底部沿程压强分布规律基本一致。即在距离门井大约0.2～0.3 m区段压强降低，在距离门井大约0.6～0.8 m区段压强升高，之后压强沿程减小；在闸门开度0.2及以上时，管道最底部沿程均未出现负压强，在闸门开度0.1时，管道底部末端有不超过-1.0×9.81 kPa的压强。

4.2 闸门启闭力分析

事故闸门在各种开度时所受动水荷载及相关计算如表3所示，闸门门重97.8×9.81 kN，闸门启闭过程中门、轨间摩擦系数为0.09。

表3 事故闸门启闭力计算Table 3 Calculation for the opening and closing force on emergency gate

图6 不同相对开度流场流线示意图Fig.6 Streamlines in the flow field in the presence of different relative openings

在事故闸门闭门过程中，门叶与启闭机之间的连接杆先承受拉力，后承受压力；连杆最大拉力为312.1×9.81 kN，发生在约0.8开度，其最大压力为168.3×9.81 kN，发生在0.1开度。在事故闸门动水启门过程中，门叶与启闭机之间的连接杆始终处于受拉状态，在闸门开度0.1～0.7区间，闸门连接杆拉力逐渐增大，之后连接杆拉力逐渐减小，其连杆拉力最大值为475.1×9.81 kN。

4.3 流态及流速分布

数模提取不同开度下流线示意图，并截取相应断面进行流速分布分析。图6、图7给出闸门关闭过程中闸门相对开度e=1.0,0.8,0.5,0.2时的流场流线示意图和沿管道中心纵剖面断面流速分布示意图。

图7 不同相对开度沿管道中心线纵剖面断面流速分布Fig.7 Velocity distribution on the longitudinal section along the center line of the pipeline in the presence of different relative openings

由图6可看出：闸门逐渐关闭，靠近管壁的水流流线一部分急剧弯曲汇入主流道，另一部分则通过闸门与门井间的空隙以辐射状绕过闸门顶或底，或者从闸门两侧汇入下游主流道；水流通过止水环与门叶之间的缝隙后部分流体直接绕过门叶，而部分流体则在止水环附近形成螺旋流；闸门左右两侧各支撑板上下一定范围内的水流形成大小不一的漩涡。

从图7可看出：闸门全开时门井前流道流速大小与门井内门叶孔道流速大小基本一致，进入变管径段后流速稍有增大；其他开度下，随着闸门逐渐关闭，门井前流道流速逐渐减小，门井内门叶孔道流速则因过流面积减小而增大。从断面流速分布图看出，闸门关闭过程中流道内流速逐渐减小，靠近门井的流道顶流速减小幅度较大；水流进入门井孔道后，随着过水孔道面积的减小，该部位流速相应增大。在门井后流道段，随着闸门逐渐关闭，门后管道顶部区形成反向漩滚流，流速减小，并且小流速区域不断增大，主流靠近流道底部。数模显示，闸门全开时，门叶环孔内流速变化不大，流速分布较为均匀，门井及缝隙内流均较小；在门后等管径流道末端，主流速集中于管中心部位，到渐变管中段，断面流速分布已趋均匀。随着闸门逐渐关闭，门叶的过流孔口位置相对于管道中心逐渐下移，门叶过流孔口面积亦逐渐减小，其结果是，通过门叶孔道的流速逐渐增大，最大流速超过40 m/s；水流进入门井后主流道后，主流逐渐集中于管底，并在闸门开度0.6附近形成明流，其管道上部反映的是水气及水翅混合流。闸门不同开度下的门后管道水流质点最大流速vmax及位置如表4所示。

表4 不同相对开度下门井后流道最大流速及位置Table 4 Maximum flow velocity and its position on the channel behind the gate well in the presence of different relative openings

从表中计算成果可以看出，在闸门处于全开状态时，其门后等直径管道和渐变管道的最大流速分别为35.1,43.1 m/s；在闸门关闭过程中，等直径管道和渐变管道的最大流速则分别达到45.2,48.0 m/s。

5 结 论

(1) 随着闸门开度逐渐减小，门叶环孔顶部各测点的压强急剧减小，在0.8～0.7开度时，压强已处于真空状态，随后压强呈波动上升；门井后流道顶部压强也随着闸门逐渐关闭而迅速减小，在0.7开度时也达到真空状态。在闸门0.6开度及以下时，门后流道内水流呈现明流状态，有空气进入，各负压区的压强绝对值均相应减小。

(2) 在闸门闭门过程中，闸门前管道上部的水流流线一部分急剧弯曲汇入逐渐减小的门叶环孔，另一部分则通过门叶与门井壁面间的缝隙呈辐射状绕过门叶进入下游流道；水流通过止水环与门叶之间的缝隙后，有的水流直接绕过门体，有的水流则在止水环附近形成螺旋流；在闸门左右两侧的部分支撑板附近，也有大小不一的漩涡流形成。随着门叶环孔过流面积逐渐减小，通过门叶局部环孔及门后流道底部的流速则逐渐增大，最大流速可达48 m/s。

(3) 闸门闭门过程中，门叶与启闭机之间的连接杆先承受拉力，后承受压力；其最大拉力发生在约0.8开度，其最大压力发生在0.1开度；工程应用中在考虑启闭力问题时需重点关注上述开度附近启闭机容量是否满足要求。

(4) 本研究方法基本合理，计算结果基本可靠，可为类似闸门体型的设计运行以及工程体型优化提供依据。

[1] 王 韦,杨永全,许唯临,等.孔板泄洪洞事故闸门动水下门实验研究[J].水利学报,2003,34(1):39-44.

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[3] 李典庆,常晓林.水工钢闸门可靠度研究分析进展[J].2007,24(2):46-50.

[4] 陈相楠.高水头平面附环闸门的研究[J].内江科技,2015,36(11):26.

[5] 金忠青.N-S方程的数值解与紊流模型[M].南京:河海大学出版社,1989.

[6] HIRT C W,NICHOLS B D.Volume of Fluid(VOF)Method for the Dynamics of Free Boundaries[J].Journal of Computation Physics,1981,39(1):201-225.

(编辑：刘运飞)

Numerical Simulation on Hydraulic Characteristics inthe Shutting Process of Ring Gate

WEN Lin-sen1,WANG Cai-huan1,YANG Wei1,CHEN Dong-xin2

(1.Hydraulics Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China; 2.School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

The shutting process of emergency ring gate was simulated through volume of fluids (VOF) method.The flow characteristics were calculated by the 3-D standardk-εturbulence model.The flow characteristics include streamline motion,velocity distribution,and pressure distribution in the gate channel,gate flap channel and gate well,as well as dynamic water load on the gate.Curves of the hydraulic parameters vs.the opening of gate in the shutting process were obtained.The results provide basis for the design and operation of similar gate pattern.

ring gate; VOF method;k-εturbulence model; dynamic water load; hydraulic parameters; opening of gate

TV663.2

A

1001-5485(2017)10-0068-06

2016-07-14；

2016-10-10

国家自然科学基金项目(51379020，51279013)

文林森(1992-)，男，安徽六安人，硕士研究生，主要从事水力学及河流动力学方面的研究，(电话)17816601563(电子信箱)wenlinlinsen@163.com。

10.11988/ckyyb.20160713 2017,34(10):68-73