凝冻天气水闸结冰过程仿真分析

夏云东，高 静

（1.贵州省水利投资（集团）有限责任公司，贵阳 550081；2.常州兰陵自动化设备有限公司，江苏 常州 213000）

气温降至0℃以下，冷锋云系中的水汽或过冷液滴随气流运动，与固体碰撞产生雨凇、雾凇，凝附在固体表面冻结形成覆冰层，称之为“凝冻”，是广义冰冻灾害的一种类型[1]。长时间的凝冻过程会大面积危害农田作物，破坏畜牧、林业生产，严重影响水利、交通、通讯和输电设施的正常运行。

处于农田灌溉水渠中的水闸闸门，受凝冻天气作用，闸门与门槽容易覆冰冻结，强行提闸会增加闸门提升设备负荷，缩短启闭电机、提升机构和机架混泥土结构的使用寿命。冻结严重时闸门受覆冰挤压，容易移位、变形，使闸门无法开启。为了保障农田灌溉水渠闸门在极端天气下的可靠运行，研究凝冻天气下水闸积冰发展过程，对合理优化闸门化冰防冻设计方案，维护设备经济运行，充分发挥水闸的功能是十分必要的。

①研究结冰预报模型可以为防冰减害提供科学的决策依据，提高灾害应急响应效率。科研人员对积冰现象进行了大量的研究。牛生杰等[2]综合气温、风速、降水率、风吹角度及积冰时间的物理环境参数，建立了导线积冰模型，在我国三峡、恩施等地雾凇积冰多次模拟中表现优良。周悦[3]通过积冰发生过程中气象要素、云雾滴和雨滴的微物理变化特征分析，根据积冰增长公式估算线路积冰率，可以反映出实际积冰厚度的变化。牛生杰[4]等应用地表热平衡方程，在考虑环境影响因素的基础上，建立了道路下垫面温度预报模型，在冬季高速公路路面结冰预报中准确性较高。宋丹等[5]利用积冰厚度观测数据，通过多元线性回归建立了电线积冰厚度预报模型。现有的数学模型主要针对圆柱导线、路面等简单结构面，实现总体积冰量预测，无法了解结构接触面的冰层分布特征。

计算流体力学的发展推动了复杂表面冰型计算的发展，计算结果与风洞结冰试验得到的结果一致性良好，已经成为表面结冰形状特征研究的主要途径。梁健等[6]利用Fluent 分析了风力发电机雨凇覆冰的三维数据特征。黎芷毓等[7]采用边界元法和拉格朗日法分析风机叶片流场水滴碰撞过程，通过冰型重构建立雨凇覆冰增长模型。FENSAP-ICE是目前应用较为广泛的结冰预测软件。孔满昭等[8]通过FENSAP-ICE 结冰软件对特定翼型进行了流动特性、水滴撞击及冰型生成过程的计算。姜涵等[9]利用FENSAP-ICE 分析机翼后掠角包冰，仿真结果与风洞实验大致一致。本文应用FENSAP-ICE 软件对农田水渠水闸凝冻天气条件下的结冰过程进行仿真研究，用于指导防冻方案制定和冰冻监测系统研制。

1 结冰计算方法

1.1 计算流程

凝冻气象条件下，空气中的过冷水滴随风相对闸门运动，在闸门表面，质量和惯性较大的水滴会偏离空气流线撞击到闸门表面，属于典型的流体-颗粒两相流。FENSAP-ICE采用欧拉法求解水滴撞击过程，获得局部水收集系数，根据质量守恒和能量守恒方程计算结冰增长过程，主要通过3个模块实现：①Airflow 模块求解Navier-Stokes 方程实现外流场计算；②Droplet模块通过干燥空气的欧拉方程和粘性湍流N-S方程组成的双流体模型分析水滴的撞击特性；③Ice accretion模块利用Messinger模型求解固体表面冰层累积和液体回流。计算流程见图1。

图1 计算流程

1.2 模型及边界条件

采用Solidworks 软件建立如图2 所示的水闸三维模型，根据仿真软件要求完成模型修型和格式转换。分析水闸积冰特征，重点关注闸门与门槽连接区域，顶部提升机构支撑梁与闸门间没有直接接触，为简化模型，流场过流区域内保留了闸门与门槽接触及其邻近部分，将顶部衡量及部分门槽去除建立计算区域。简化后的模型如图3 所示，使用ANSYS MESH得到如图4所示的模型网格。

图2 水闸装配模型

图3 简化模型及流场区域

图4 水闸网格及流场过流方向

由相关文献可知凝冻天气常伴随多次冷锋过境，空气中的含水量较高，据此假设横风垂直闸板表面，计算此流场内水闸固体交界面冰层累积变化。设置边界条件为：空气流速2 m/s，风吹角0°，大气压101 325 Pa，液态含水量（LWC）0.25 g/m3，平均水滴直径20 μm，环境温度为266.15 K。

2 水闸积冰特征仿真实验分析

首先，由Airflow 模块进行水闸外部流场计算，用Droplet模块计算液滴撞击水闸特性，得到迎风面水滴收集系数（见图5）。从图5 可以看出，在垂向闸板气流的作用下，水滴撞击水闸后向两侧和下方区域汇聚，闸门和门槽连接处积水量高于闸门内侧。水滴趋向闸门底部汇聚，水滴收集系数最高接近0.96，高于两侧竖槽，且水闸上方空置门槽内也有水滴汇集。

图5 水闸迎风面水滴收集系数

仿真400 s时水闸积冰分布见图6，在闸门与门槽下部连接处形成积冰。冰层厚度分布见图7，从图7可以发现，底部门槽积冰厚度最大接近0.1 mm。因闸门底部液滴收集系数高于两侧门槽，水闸底部积冰发展迅速，两侧门槽积冰开始生长。

图6 迎风面积冰分布（400 s）

图7 冰层厚度分布

仿真运算2400 s时水闸积冰覆盖分布见图8所示。闸门两侧积冰向上方和内侧发展，覆盖面积增大，底部冰层最大厚度超过0.5 mm。

图8 迎风面积冰分布（2400 s）

仿真至3600 s时，水闸积冰发展如图9所示，在闸板四周形成环状积冰。将图5水滴收集系数分布与图6、8、9 对比可知，积冰覆盖水闸增长趋势与水滴收集系数分布一致。

图9 水闸积冰总体分布（3600 s）

从图9 可以看到闸门与门槽连接处被积冰覆盖，顶部空置门槽内也有积冰形成，积冰厚度最大值达到0.8 mm。此时水闸开启需要破冰提升，电机启动的阻力增大。在升闸过程中，闸门上方空槽中的积冰也会阻碍闸门提升移动，使水闸无法正常开启。

为研究水闸表面积冰增长特性，以冰层累积400 s时为起始，间隔200 s观察冰层覆盖特征，并记录闸门冰层最大厚度（见图10）。从图10可以看出冰层厚度最大值随时间不断增加，这是气流带动液滴持续作用的结果，因此多次冷锋过境，大气中的过冷水持续撞击闸门表面，会使水闸冰冻危害加剧。由于仿真计算中将空气液态含水量设为常数，使得冰层最大厚度值以线性特征变化。实际环境的空气含水量不会保持恒定，冰层厚度变化的规律会有不同。

图10 积冰厚度发展趋势

3 结论

本文介绍了凝冻天气对水闸正常运行可能带来的影响。在分析已有积冰研究的基础上，提出采用FENSAP-ICE 软件分析在凝冻天气下水闸表面积冰覆盖特征，得到以下结论。

（1）水闸表面水滴收集系数分布与积冰覆盖区域一致。水滴收集系数高的区域积冰发展迅速。闸门与门槽连接处容易汇聚液滴，在仿真初期形成积冰，冰层厚度随时间增加而增厚。

（2）水闸积冰从闸门底部沿两侧门槽向上生长，在闸门顶部汇合形成环状覆冰，随后向闸门中心发展。受冷锋气流作用，闸门上方空置门槽中也会形成积冰。仿真研究表明积冰增长区域与闸门提升结构重叠，长时间凝冻天气会严重影响水闸的正常运行。

（3）水闸防冰应重点关注闸门底部与门槽连接处，在闸门四周安置必要的化冰和监控设备，及时处置早期积冰。水闸顶部和门槽应安装挡风板，避免过冷水滴随风附着在门槽内部。