陳 云 蘇 華 劉曉光 關(guān)炎培 王 震

1 武漢理工大學(xué)

2 中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司

1 引言

閥門動(dòng)水啟門過(guò)程中受到水流力的作用較為復(fù)雜,啟閉力同時(shí)受到上下游水頭差、啟門速度、閥門底緣型式等因素的影響[1]。閥門啟閉機(jī)容量的正確選型關(guān)系到閥門的安全運(yùn)行。在省水船閘啟閉過(guò)程中,閥門需要在水頭差較小的靜水和水頭差較大的動(dòng)水工況下快速啟門,且需確保閥門在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下均可順利啟門。因此,針對(duì)閥門啟門過(guò)程的水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究,并以此得出啟閉機(jī)參考容量。

近年來(lái),針對(duì)閥門啟閉過(guò)程的水動(dòng)力學(xué)特性的研究,專家學(xué)者們采用了原型觀測(cè)法[2],物理模型試驗(yàn)法[3],數(shù)值模擬等方法[4]。Gumus等對(duì)平面閥門下游淹沒(méi)式水躍的自由表面流進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果,發(fā)現(xiàn)雷諾應(yīng)力模型對(duì)水平速度的預(yù)測(cè)效果相對(duì)較好[5]。Marcou等基于晶格玻爾茲曼方法提出一種可用于模擬閥門周圍流動(dòng)自由表面的Latice Boltzmann模型[6]。Ava Marashi等提出一種旋轉(zhuǎn)閥門新結(jié)構(gòu),通過(guò)物理試驗(yàn)研究了旋轉(zhuǎn)閥門的水力特性[7]。Cassan等對(duì)閥門大開(kāi)度情況下,閥門上下游的流動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究[8]。戴冰清等研究了平板閥門閉門過(guò)程的水動(dòng)力特性及閥門結(jié)構(gòu)特性,并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證[9]。牛利敏研究了長(zhǎng)引水壓力隧洞中平面閥門的啟閉力特性以及閥門的運(yùn)行穩(wěn)定性[10]。劉昉等對(duì)高水頭平板閥門閉門過(guò)程中水力學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,探究了不同底緣形式下閥門的水力學(xué)特性[11]。

現(xiàn)有關(guān)于閥門啟閉過(guò)程的研究,大多集中在閥門閉門過(guò)程,且水流出入口邊界設(shè)置為隨高度下降的壓力邊界,較少考慮出入口邊界條件隨時(shí)間變化的情況。在實(shí)際工程中,動(dòng)水啟門時(shí)閥門開(kāi)度由小增大,水流經(jīng)過(guò)閥門時(shí),由于固體邊界的影響和正負(fù)水錘效應(yīng),水流會(huì)形成繞流的彎曲流場(chǎng),上下游面板會(huì)受到隨時(shí)間大小變化的沖擊力,導(dǎo)致閥門啟閉力往往需要通過(guò)物理試驗(yàn)或數(shù)值模擬計(jì)算來(lái)確定[12]。

以某運(yùn)河快速啟閉平板閥門為研究對(duì)象,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)研究閥門啟門運(yùn)動(dòng)邊界與動(dòng)水流場(chǎng)交互耦合作用下的水動(dòng)力學(xué)特性。

2 理論基礎(chǔ)及數(shù)值模擬方法

2.1 基本方程

流場(chǎng)中水流流動(dòng)在仿真研究中需滿足流體動(dòng)力學(xué)基本方程:連續(xù)性方程、動(dòng)量方程。連續(xù)性方程為:

(1)

式中,ρ為密度;t為時(shí)間;u、v、w為速度矢量在x、y和z方向上的分量。

不可壓縮流體動(dòng)量方程為:

(2)

(3)

(4)

2.2 紊流模型

目前的紊流數(shù)值模擬方法可以分為直接數(shù)值模擬和非直接數(shù)值模擬方法。結(jié)合研究的實(shí)際情況,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來(lái)計(jì)算閥門啟閉過(guò)程中的水動(dòng)力學(xué)特性。k-ε模型公式為:

Gk+Gb+ρε-YM+Sk

(5)

(6)

式中,Gk為是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);Gb是由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)系數(shù);σk、σε為湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù);Sk、Sε為用戶定義項(xiàng)。

2.3 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)

動(dòng)網(wǎng)格模型可以用來(lái)處理流場(chǎng)形狀由于邊界運(yùn)動(dòng)而隨時(shí)間改變的問(wèn)題。采用動(dòng)網(wǎng)格中的動(dòng)態(tài)分層法及局部重劃法,將流體域模型中的閥門整體區(qū)域各邊界面作為剛體運(yùn)動(dòng)部分,輸水廊道兩個(gè)側(cè)面設(shè)置為變形面,從而根據(jù)閥門運(yùn)動(dòng)情況更新該部分網(wǎng)格(見(jiàn)圖1)。

1.變形邊界面 2.外部計(jì)算區(qū)域 3.內(nèi)部計(jì)算區(qū)域 4.運(yùn)動(dòng)邊界 5.外部計(jì)算區(qū)域圖1 動(dòng)網(wǎng)格示意圖

根據(jù)網(wǎng)格尺寸及動(dòng)網(wǎng)格調(diào)試的結(jié)果,將網(wǎng)格重構(gòu)最大尺寸設(shè)置為0.53 m。由于動(dòng)網(wǎng)格不能處理邊界從不連通到連通的突變,幾何建模中閥門的初始位置為小開(kāi)度,底緣距離廊道底部為7 mm(對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間約1 s)。采用 UDF(用戶自定義函數(shù))定義指定的動(dòng)網(wǎng)格邊界運(yùn)動(dòng),并且將運(yùn)動(dòng)函數(shù)定義在所劃分的局部網(wǎng)格面或網(wǎng)格區(qū)域。閥門設(shè)定速度曲線見(jiàn)圖2。在啟門過(guò)程中,經(jīng)歷勻加速、勻速、勻減速3個(gè)過(guò)程。閥門啟升總行程為7 m,啟門時(shí)間為60 s(10 s勻加速、40 s勻速、10 s勻減速),勻速階段啟門速度為8.4 m/min。

圖2 啟門速度曲線

3 數(shù)值模擬模型建立及邊界條件

3.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

為了保證閥門啟閉負(fù)載特性的仿真精度,并適當(dāng)提高仿真效率,需要對(duì)閥門模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,閥門實(shí)際模型見(jiàn)圖3。

圖3 閥門實(shí)際模型

模型主要簡(jiǎn)化方案為:①由于閥門工作時(shí)始終處于水中,且閥門孔尺寸較小,可將閥門內(nèi)部水體簡(jiǎn)化為相對(duì)閥門靜止,從而將其簡(jiǎn)化為實(shí)心平板門,去除閥門面板上的孔,按照實(shí)心平板門形式建模;②簡(jiǎn)化閥門底緣結(jié)構(gòu),去除沿水流方向的前后斜支撐板,調(diào)整面板厚度,簡(jiǎn)化部分局部結(jié)構(gòu);③去除閥門頂部與液壓缸活塞桿連接的支架結(jié)構(gòu),去除頂部?jī)蓚?cè)孔板。閥門簡(jiǎn)化后的模型見(jiàn)圖4。

圖4 閥門簡(jiǎn)化模型

將簡(jiǎn)化后的模型劃分為入口段、出口段和閘井段。進(jìn)出口廊道的模型尺寸為:寬5.0 m,高6.5 m,閘前區(qū)域長(zhǎng)4.7 m,閘后區(qū)域長(zhǎng)6.47 m。閘井段模型尺寸為:高9.02 m,寬5.0 m。閥門寬5.26 m,門高6.9 m,最大厚度1.0 m。流體區(qū)域采用四面體單元進(jìn)行初始網(wǎng)格劃分。在閥門前后1m區(qū)域建立實(shí)體模型,進(jìn)行網(wǎng)格劃分,提高動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量。網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為0.05 m。初始狀態(tài)下網(wǎng)格總計(jì)約59萬(wàn)個(gè)(見(jiàn)圖5)。

1.省水池入口段 2.閘門動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域 3.閘井段 4.閘室出口段圖5 模型網(wǎng)格示意圖

3.2 邊界條件

南京水利科學(xué)研究院針對(duì)輸水系統(tǒng)開(kāi)展了縮比模型試驗(yàn),并對(duì)輸水廊道各處的壓力變化進(jìn)行了研究,測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6。以測(cè)點(diǎn)4的壓力數(shù)據(jù)作為壓力入口條件(輸水廊道三級(jí)省水池側(cè)),以測(cè)點(diǎn)46壓力數(shù)據(jù)作為入口2(閥門井)壓力入口條件,以測(cè)點(diǎn)7數(shù)據(jù)作為出口(輸水廊道閘室側(cè))壓力出口條件。各測(cè)點(diǎn)壓力水頭在動(dòng)水啟門60 s時(shí)間段的變化見(jiàn)圖7。

圖6 物理模型測(cè)點(diǎn)布置圖

圖7 動(dòng)水啟門60 s過(guò)程壓力水頭變化曲線

仿真模型中的動(dòng)水啟門邊界條件根據(jù)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后,以表達(dá)式的形式輸入到Fluent軟件中作為各處壓力邊界條件。

3.3 閥門單向流固耦合計(jì)算

針對(duì)不同時(shí)刻的流場(chǎng)提取閥門邊界面上的壓力分布結(jié)果,將其導(dǎo)入到閥門固體模型中進(jìn)行仿真計(jì)算,得到相應(yīng)時(shí)刻下的閥門受力情況。在實(shí)際物理模型中閥門通過(guò)吊桿施加啟閉力,將閥門上端面設(shè)置為固定端,在設(shè)置的流固耦合面上加載來(lái)自流體的作用力,求解閥門等效應(yīng)力。

3.4 數(shù)值計(jì)算方法

Fluent中紊流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,重力加速度大小為9.8 g/cm2,方向豎直向下。設(shè)置參考大氣壓位置在自由水面處,并設(shè)置參考操作工質(zhì)(密度為1.225 kg/m3)。流場(chǎng)與閥門界面設(shè)置單向流固耦合邊界條件,壁面默認(rèn)為無(wú)滑移邊界條件。

選擇基于壓力求解器的瞬態(tài)計(jì)算方法,為保證計(jì)算的魯棒性及收斂的穩(wěn)定性,選擇用于非穩(wěn)態(tài)可壓縮或不可壓縮流體流場(chǎng)中求解壓力速度耦合關(guān)系的coupled算法;采用二階迎風(fēng)格式動(dòng)量方程。其余參數(shù)保持默認(rèn)值,時(shí)間步長(zhǎng)為0.05 s,計(jì)算1 800步,瞬態(tài)場(chǎng)每一時(shí)間步長(zhǎng)的最大迭代次數(shù)為30。由于閥門底緣距離廊道底部有7 mm的開(kāi)度,運(yùn)動(dòng)曲線設(shè)置滯后1 s,閥門開(kāi)始向上啟門,保證仿真時(shí)閥門運(yùn)行狀態(tài)盡可能與實(shí)際物理模型相似。

4 物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

采用某大型運(yùn)河項(xiàng)目中省水船閘物理模型的試驗(yàn)資料對(duì)本項(xiàng)目的數(shù)值仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。項(xiàng)目中各梯級(jí)樞紐船閘在設(shè)計(jì)時(shí)均采用省水布置型式,上游最大水位為63.64 m,下游最小水位為34.0 m,最大設(shè)計(jì)水頭為29.64 m,常水頭為27.30 m,最低通航水位為23.80 m。在船閘實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中,省水池閥門為雙面止水。在三級(jí)省水池向閘室充水時(shí),最大水頭為10.28 m,最小淹沒(méi)深度為14.5 m。閥門進(jìn)水口采取底緣前傾角為41°,后傾角為47°的平面閥門。閥門門寬5.26 m,門高6.965 m,門厚1.0 m。工作閥門的運(yùn)行條件為動(dòng)水啟門,最大閉門速度為16.1 m/min,最大啟門速度為8.1 m/min,啟門時(shí)間60 s,閉門時(shí)間30 s,閥門雙向運(yùn)行,雙面止水。根據(jù)水工模型試驗(yàn)中常用的弗勞德相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)(即重力準(zhǔn)則),物理模型進(jìn)出水口及廊道系統(tǒng)的水工模型和工作閥門的幾何比尺為13.35,時(shí)間比例尺為3.65,流量比例尺為651.18,壓力比例尺為13.35。閥門運(yùn)動(dòng)曲線,閥門工作段幾何邊界情況,閥門前后廊道慣性換算長(zhǎng)度,閥門前后水流阻力與實(shí)際工作相似,模型系統(tǒng)的阻力系數(shù)可調(diào)。

圖8為考慮閥門摩擦力影響的數(shù)值模擬凈動(dòng)水(動(dòng)水啟門力與靜水啟門力之差)啟門力。從圖中可以看出,仿真得到的凈動(dòng)水啟門力和試驗(yàn)測(cè)得的凈動(dòng)水啟門力之間的變化規(guī)律和數(shù)值大小基本一致,數(shù)值仿真結(jié)果稍顯滯后趨勢(shì),該數(shù)值模擬模型可以滿足平板閥門啟門過(guò)程的水動(dòng)力特性分析。

圖8 閥門凈動(dòng)水啟門力數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)結(jié)果

5 平板閥門啟門過(guò)程的流場(chǎng)數(shù)值模擬

由于閥門重力的影響難以考慮,為排除門重影響,啟門力試驗(yàn)結(jié)果以凈動(dòng)水啟門力形式展示,即計(jì)算動(dòng)水啟門力減去靜水啟門力的差值。本仿真分析主要研究靜水啟門和動(dòng)水啟門過(guò)程閥門水力學(xué)特性。

5.1 靜水啟門過(guò)程

在靜水啟門的過(guò)程中,閥門受到垂直水流方向的作用力,在啟門初始時(shí)增大至334 kN后基本保持不變(見(jiàn)圖9)。主要原因?yàn)樵趩㈤T過(guò)程中,出入口的水位差較小,水流流態(tài)較為穩(wěn)定。雖然水流因?yàn)殚y門啟門運(yùn)動(dòng)存在擾動(dòng),但總體上水流流速較小。隨著閥門開(kāi)啟進(jìn)入閥門井之后,壓力開(kāi)始降低,在60 s時(shí)閥門垂直水流作用力降低至最小168.7 kN。

圖9 閥門豎直方向水流力隨時(shí)間變化曲線

閥門在進(jìn)入閥門井區(qū)域時(shí),即啟門過(guò)程的45～60 s的時(shí)間段內(nèi),閥門頂部的壓力變化較小,最大壓力差為1 kPa;閥門底緣靠近上游一端受到的壓力有明顯下降,閥門底緣最小壓力差為31.6 kPa,從而導(dǎo)致垂直方向水流力降低。

由于輸水廊道與閥門井區(qū)域連接處寬度較小,廊道入口的水流流經(jīng)連接處時(shí),閥門面的阻擋使水流在閥門上游面板處受到流滯作用,導(dǎo)致連接縫隙處入口的靜壓力很大。當(dāng)水流流過(guò)時(shí),水流狀態(tài)為高速射流狀態(tài),并且在閥門上游75 cm處,出現(xiàn)水流分離點(diǎn)。由于受閥門體的阻礙,水流在連接縫隙處產(chǎn)生了角渦,導(dǎo)致流場(chǎng)存在壓力梯度分布。閥門下游半底緣附近變化規(guī)律類似,水流分離點(diǎn)和壓力云圖見(jiàn)圖10。在物理模型中也出現(xiàn)了水流分離現(xiàn)象,且該現(xiàn)象比較劇烈,閥門上游段出現(xiàn)水氣兩相混合狀態(tài)。

圖10 閥門進(jìn)入閥門井時(shí)水流速度矢量圖

45 s時(shí)閥門底緣距離閥門井區(qū)域較遠(yuǎn),輸水廊道與閥門井連接區(qū)域的壓力分布主要作用于閥門的兩側(cè)平面。在50 s左右,閥門底緣進(jìn)入閥門井內(nèi),渦流作用區(qū)域延伸至閥門底緣區(qū)域,導(dǎo)致底緣受到的壓力下降,并且隨著閥門的進(jìn)一步開(kāi)啟,渦流區(qū)域增大,導(dǎo)致閥門底緣壓力下降區(qū)域持續(xù)增大,直至閥門上升至啟門最大行程(見(jiàn)圖11)。

圖11 閥門底緣進(jìn)入閥門井區(qū)域壓力云圖(45～50 s)

閥門順?biāo)鞣较蜢o水啟閉力變化曲線見(jiàn)圖12。對(duì)于靜水啟門的過(guò)程,由于兩側(cè)水位一致,水流波動(dòng)比較小。閥門運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)壓力存在一些變化,使得閥門順?biāo)鞣较蚴芰Ξa(chǎn)生一定的震蕩。在閥門啟門過(guò)程中,由于閥門和閥門井區(qū)域之間存在較小間隙,水流通過(guò)時(shí)的流速比較大(最大流速為14.52 m/s),從而導(dǎo)致閥門順?biāo)鞣较蚴艿降木植繅毫档汀?/p>

圖12 靜水啟門閥門順?biāo)鞣较蛩髁?/p>

5.2 動(dòng)水啟門過(guò)程

閥門動(dòng)水啟門力仿真曲線見(jiàn)圖13。動(dòng)水啟門垂直水流方向的受力在前10 s內(nèi)迅速增加,到第2.5 s時(shí)達(dá)到最大值157.69 kN。隨著閥門啟門高度的增加,垂直方向水流力逐漸降低至零后反向持續(xù)增大,待閥門完全進(jìn)入閥門井后再降至零。

圖13 動(dòng)水啟門閥門水流力

在0～2.5 s期間,閥門啟門過(guò)程中底緣壓力云圖見(jiàn)圖14。0～0.05 s時(shí),底緣壓力有所增大;0.5～2.5 s時(shí),底緣壓力變化不明顯。

圖14 動(dòng)水啟門閥門底緣壓力云圖

圖15為閥門頂部附近的速度云圖。由于閥門在0.5～2.5 s啟門過(guò)程中加速上升,且閥門入口側(cè)壓力較大,水流在通過(guò)狹小區(qū)域流向閥門井時(shí),壓力差較大,水流流速較快,導(dǎo)致閥門井狹小區(qū)域內(nèi)的水流狀態(tài)迅速發(fā)生變化,產(chǎn)生局部漩渦。閥門出口側(cè)面板壓力在啟門初期較小,漩渦現(xiàn)象并未明顯出現(xiàn)。由于閥門井區(qū)域出現(xiàn)漩渦并且持續(xù)存在,導(dǎo)致閥門頂部壓力持續(xù)下降。

圖15 動(dòng)水啟門閥門頂部速度矢量圖(0.5 s)

綜上所述,在頂部壓力降低,以及底緣壓力增大的相互作用下,閥門垂直水流方向在啟門初期2.5 s內(nèi)受到的垂直水流力快速增大。在啟門的過(guò)程中,閥門受到的順?biāo)鞣较蜃饔昧χ饕砷y門前后兩側(cè)壓力差引起(入口側(cè)為靠近省水池側(cè),出口側(cè)為靠近閘室側(cè))。啟門過(guò)程中入口與出口側(cè)最大壓強(qiáng)曲線見(jiàn)圖16。

圖16 動(dòng)水啟門閥門出入口側(cè)壓力變化曲線

閥門前側(cè)和后側(cè)的壓力由差異明顯到逐漸接近。到50 s之后,閥門大部分進(jìn)入到閥門井區(qū)域,閥門前后的壓力相差較小,順?biāo)鞣较蛩饔昧呌诹?。閥門在0～50 s過(guò)程中的順?biāo)鞣较蜃饔昧ψ兓梢韵乱蛩毓餐饔谩?/p>

(1)閥門上游的省水池水位逐漸降低,使閥門前側(cè)的受力減小。同時(shí),閥門下游閘室的水位逐漸升高,使閥門后側(cè)受到的水作用力增大。總的趨勢(shì)是閥門在順?biāo)鞣较蚴艿降乃饔昧χ饾u減小。

(2)隨著閥門逐漸上升,閥門底緣流過(guò)的水流速度增大,并且閥門井和輸水廊道連接區(qū)域的速度也逐漸增大。隨著流速的增大,閥門受到的順?biāo)鞣较蛩饔昧p小。該因素對(duì)垂直水流方向作用力影響明顯,而對(duì)順?biāo)鞣较蜃饔昧Φ挠绊戄^小。

(3)在閥門開(kāi)啟的前中期,閥門前后的旋渦不斷變化,導(dǎo)致閥門前后的壓力并非與水位同步變化,尤其是閥門下游面板附近漩渦導(dǎo)致壓力降低明顯,而上游面板附近漩渦并沒(méi)有導(dǎo)致壓力的明顯下降。隨著閥門開(kāi)度增大至水柱區(qū)域時(shí),旋渦影響逐漸減弱消失。

6 結(jié)語(yǔ)

以某運(yùn)河快速啟門平板閥門為研究對(duì)象,建立閥門啟門過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型,采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)處理動(dòng)態(tài)邊界,進(jìn)行閥門啟門水動(dòng)力與載荷特性研究。主要研究結(jié)果如下。

(1)靜水啟門過(guò)程中,雖然閥門井連接處水流速度較快,存在局部壓力梯度分布,導(dǎo)致在閥門底緣進(jìn)入閥門井的過(guò)程中,上半底緣的壓力下降。從仿真結(jié)果看,順?biāo)鞣较蚴芰υ?～100 kN的區(qū)間內(nèi)變化,豎直水流力主要由閥門底緣和頂部的壓力差引起,壓力梯度現(xiàn)象對(duì)水流力影響并不明顯,不會(huì)對(duì)啟門力早餐較大影響。

(2)動(dòng)水啟門過(guò)程中,順?biāo)鞣较蛩髁淖畲笾德郎p小。如果通過(guò)減小止水摩擦力來(lái)降低啟門力,需要減小啟門初期的順?biāo)鞣较虻牧?即減小啟門時(shí)上下游的最大水位差。由閥門開(kāi)啟形成漩渦引起的水動(dòng)力對(duì)順?biāo)鞣较蛩髁ψ兓挠绊憚t相對(duì)較小。

(3)動(dòng)水啟門工況下,閥門受力情況比靜水情況下更為復(fù)雜,特別是閥門快速啟門時(shí)垂直水流方向的載荷特性較為復(fù)雜。需要注意的是,啟門初期閥門啟門力快速上升時(shí),液壓系統(tǒng)提供的啟門力能否滿足正常啟門要求。