高水头船闸阀门段体型优化三维数值模拟

杨忠超,杨 斌,陈明栋,胡雪梅

(重庆交通大学内河航道整治技术交通行业重点实验室,重庆 400074)

由近年国内、外船闸建设状况可知,越来越大的船闸规模及越来越高的水头是现代船闸的发展趋势。船闸输水阀门每天频繁操作,工作条件复杂,在非恒定高速水流作用下,极易在阀门段、分流口等部位形成空化,严重时可能导致阀门及输水廊道空蚀破坏,威胁建筑物及通航安全,因此,输水系统阀门段的空化问题是高水头船闸设计的关键技术难题[1-4]。乌江银盘枢纽船闸设计最高通航水头达36.46m,为目前国内已建和在建船闸中最高的水头,是世界排名第3的单级船闸。在物理模拟试验和数值计算中,阀门段空腔内均出现负压,尤其在升坎反弧处水流脱离边壁,负压尤为明显。并且,该处负压接近廊道边壁,容易对建筑物造成空蚀破坏。

采用数值模拟手段研究阀门廊道中的流场特性具有优化体型方便、节约财力、节省时间、不存在比尺效应等优点,是物理模型试验研究的有力补充手段。王玲玲等[5]、戴会超等[6]、马峥等[7]采用 k-ε双方程模型对三峡船闸充水系统阀门段进行二维数值模拟;王智娟等[8]采用三维数学模型在阀门开度n=0.4时对银盘船闸阀门段体型进行优化。这些研究成果加深了对阀门水力学的理解,为高水头船闸阀门设计提供了科学依据。

在整体埋深及廊道尺寸受限的情况下,通过局部体型修改来优化其压力条件是解决空化空蚀问题的有效途径。本文提出一系列体型,采用动网格技术对其进行非恒定流三维数值模拟,分析阀门段水流急变分离的流态、流速、压强的时空变化规律,遴选出最佳体型。

1 计算模型

1.1 控制方程

计算模型选用在紊流计算中得到公认的雷诺时均法k-ε双方程紊流模型。采用有限容积法对偏微分方程进行积分,方程离散中对流、扩散项采用二阶向后全隐式格式,时间项采用一阶向后差分格式。为了反映压力对速度的影响,采用压力-速度耦合求解的SIMPLER算法,同时采用多重网格技术加速求解。线性化的方程组求解运用点隐式高斯-塞德尔迭代方法。

连续方程

动量方程

k方程

ε方程

其中

式中:ρ和ν分别为体积分数平均的密度和分子黏性系数;νt为紊流黏性系数;k为紊动能;ε为紊动耗散率;Gk为生成项;i=1,2,3,即;j为求和下标。

方程中通用模型常数 η0=4.28,β=0.015,Cμ=0.085,C2ε=1.68,σk=0.7179,σε=0.7179。

1.2 计算阀门段廊道

以乌江银盘船闸充水阀门段廊道体型建立计算模型。计算区域以阀门井为中点,上游至廊道进水口,约长38m,下游至廊道水平分流口,约长49m。阀门井宽4.5m,模型总长约91m。由于阀门启动后就存在门楣缝隙,故建立模型时在门楣处预留约2cm的狭缝以模拟狭缝射流。采用四面体和六面体混合网格进行剖分,对阀门区和突扩段网格进行加密。银盘船闸阀门段廊道及计算网格剖分见图1。

图1 银盘船闸阀门段廊道及计算网格剖分示意图

1.3 边界条件处理

1.3.1自由表面

对于阀门井存在的自由表面,采用三维VOF法进行计算。

1.3.2进、出口条件

进、出口均为压力边界条件。进口采用进口廊道底至水库水面静水压力分布。实际随着阀门开启过程,出口随闸室水深增加而压力增大,上、下游出口压力差减小。但为了模拟最不利工况,保持出口最低压力不变,即出口按下游河道水面至出口廊道底的静水压力分布设定。

1.3.3阀门开启

阀门开启速度采用UDF文件(笔者采用速度随时间变化规律)使阀门实现连续的开启过程。阀门开启过程中采用动网格技术调整和更新阀门运动后的网格,确保计算网格质量。

1.3.4固壁边界条件

固壁边界条件由壁函数方法给定。

2 设计方案结果分析

图2表明在阀门开启过程中,突扩体腔内逐步形成2个明显的旋涡,逆时针旋涡位于主流上方的上突扩内,顺时针旋涡位于底扩跌坎后的三角区域,2个旋涡方向相反。在上游高水压作用下,阀门下底缘与廊道底板之间形成高速射流,射流斜冲下突扩体底板后,主流附底板而下冲击升坎,在升坎末端由于断面减小,流速显著增加,且由于流向改变,形成脱壁。从流速来看,主流在阀门开度n=0.4时流速最大,约为24.7m/s;升坎凸弧末端脱壁流速在阀门开度n=0.8时达到最大,为25.22m/s。

从图3和图4可见,随着阀门开度增加,在突扩体顶板和升坎凸弧处形成2个低压区。在阀门开度n=0.5时,顶板压强(Ⅱ点)达到最小,为-7.31kPa;在阀门开度n=0.6～0.8时升坎凸弧处(Ⅳ点)的负压达到最低,为-120.75kPa,故存在较高的空蚀破坏风险,需进一步对体型进行优化。

图2 设计方案阀门廊道中的剖面流场

图3 设计方案阀门不同开度时廊道中的剖面水压P分布

3 优化方案结果分析

3.1 优化方案

为了探索阀门段廊道几何参数对腔体内压力分布的影响,解决腔体内的负压问题,尤其是升坎凸弧高负压的难题,从突扩体长度、上突扩高度、下跌坎高度,以及升坎倾角进行调整,在设计方案之外提出了8个方案(见表1,表中参数含义见图5)。

图4 设计方案突扩体关键点水压随时间变化曲线

表1 各比选方案几何参数

图5 阀门段优化几何参数示意图(单位:m)

3.2 流场分析

廊道几何参数调整以后腔体内的流态发生显著变化。图6比较了阀门开启过程中阀门开度 n=0.3时流态。除设计方案、方案3和方案6外,其余方案在阀门开启初期,腔体内首先形成一个顺时针旋涡,但这个旋涡不稳定,约在n=0.35时旋涡从升坎凸弧处被挤出空腔体,同时在跌坎下形成稳定的小范围的顺时针旋涡,在流股上方形成较大范围的逆时针旋涡。由于腔体几何参数不同,旋涡的形体、大小及位置略有不同。

3.3 压力分析

从Ⅱ点压强变化来看,n＜0.2时各方案的压强基本没有变化,当n＞0.3时腔体内旋涡开始形成,强度不断增大,顶板处压强减小,n=0.5～0.6时压强达到最低,随后压强逐渐回升。保持下突扩高度H0不变,比较设计方案、方案2、方案3和方案 8,可见增大上突扩高度H1有利于增大顶板压强。比较设计方案、方案1和方案2组,方案3、方案4、方案5和方案6组,方案7和方案8组,可见保持上突扩高度H1不变,增大下突扩H0,亦可增大顶板压强。但是受a和b角度的影响,H1和H0最大的设计方案顶板压强却不是最大,而是方案3时顶板压强最大,基本未出现负压,最小为3.25kPa;方案6的顶板压强最小,达到-41.95kPa。

图6 不同方案的流场比较(t=18s,n=0.3)

空蚀空化最危险区位于突扩体升坎凸弧处(Ⅳ点)。从Ⅳ点的压强过程线(图7)来看,在n＜0.2时,各方案压强变化较小,当n＞0.3时腔体内旋涡形成,升坎凸弧处形成脱壁流,压强开始下降,约n=0.6～0.8之间达到最低,随后压强逐渐回升。从图6可见,设计方案、方案3和方案6没有发生初生旋涡被挤出突扩体的现象,故Ⅳ点的压强从n=0.25时逐渐降低,其余方案在初生旋涡被挤出突扩体瞬间时Ⅳ点的压强出现明显的陡降。从体型参数分析,当 H0不变时,比较设计方案、方案2、方案 4和方案8,增大H1,a角变大,Ⅳ点的压强变低。其原因是a角越大,升坎凸弧处水流脱壁越严重,造成压强越低;当H1不变时,比较设计方案、方案1和方案2组,方案 3、方案4、方案5和方案6组,可见增大H0可提高Ⅳ点的压强。其原因是增大下突扩有助于跌坎处生成旋涡,消能较充分,从而减小了升坎凸弧处的流速。对于方案7和方案8,倾角 a对Ⅳ点的压强影响较明显,a越小,压强越大,原因是小倾角减小了脱壁流强度。对比所有方案,方案8的Ⅳ点压强最大,最低值为-63.59kPa,比设计方案提高了57.68kPa。

图7 阀门开启过程中各方案Ⅳ点的压强比较

4 结 语

采用动网格技术和VOF方法对高水头船闸阀门开启过程进行非恒定流三维紊流数值模拟,分析阀门段水流急变分离的流态、流速、压强等水力特性参数的时空演化规律,分析出现空蚀危险的区域和时刻。针对阀门后突扩体顶板和升坎凸弧处出现较低负压问题,提出一系列的体型方案,分析了体型参数对流速、流态、压强分布的影响。分析结果表明,方案3的顶板压强最大,升坎凸弧处方案8的压强最大。数值模拟对阀门体型优化具有方案变化快、经济省的优点,是物理模型试验研究的有力补充手段。

[1]李云,胡亚安,宣国祥.通航船闸水力学研究进展[J].水动力学研究与进展:A辑,1996,11(2):232-239.

[2]阎诗武.船闸廊道输水阀门振动研究进展[J].水利水运工程学报,1998(2):109-118.

[3]周华兴.高水头船闸阀门空化问题的研究[J].水运工程,1993(11):28-33.

[4]王玲玲,高飞.三峡永久船闸输水系统输水特性研究[J].河海大学学报:自然科学版,2002,30(4):96-99.

[5]王玲玲,戴会超,王琼.三峡船闸水力学数值实验室的研制及应用[J].河海大学学报:自然科学版,2004,32(1):100-103.

[6]戴会超,王玲玲.三峡永久船闸阀门段廊道水力学数值模拟[J].水力发电学报,2005,24(3):88-92.

[7]马峥,张计光,陈红勋,等.三峡永久船闸输水廊道水动力学特性研究[J].水动力学研究与进展:A辑,2007,22(2):175-181.

[8]王智娟,江耀祖,吴英卓,等.银盘船闸阀门段体型优化三维数值模拟研究[J].人民长江,2008,39(4):91-93.