基于CFX的双向流道自引自排闸门开度控制研究

王梦成，刘玉平，徐付祥，陈松山

(1.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225000；2. 镇江市谏壁抽水站管理处，江苏 镇江 212000)

我国大部分地区均存在降雨的时空不均衡性，因此灌溉与排涝的双重任务显得尤为突出。而闸站结合双向流道泵站不仅具有“一站四闸”的功能，又能降低工程造价，且具有较高的水泵装置效率，自20世纪70年代以来，在沿江和太湖流域等得到广泛应用。国内学者针对大型双向流道泵站提排、提灌的特性研究较多[1，2]，研究提出一些高效的双向流道装置形式[3，4 ]，但涉及双向流道泵站自排、自引过流特性的研究较少，已制约了双向流道泵站的多功能综合效益发挥。随着近现代流体力学、计算数学和计算机科学的发展，以及计算流体力学软件开发与应用，湍流数值模拟已成为解决工程问题的重要手段。研究将基于三维湍流数值模以典型的双向流道泵站-谏壁泵站[5]为研究对象，探讨双向流道泵站自引自排的过流特性和流道内流速分布特性，旨在提出一些闸门优化运行方案。

1 工程概况

谏壁抽水站地处镇江市东郊，是一座典型的大型双向流道泵站，它担负着太湖流域排涝、抗旱、河道冲淤和保证通航等多重任务。泵站安装2800ZLQ-27-3立式轴流泵6台，配套1800kW的TL1800-40/3300同步电机，设计流量162 m3/s。谏壁泵站采用闸站结合的“X型”双向进出水流道实现灌排结合，泵站设有36扇液压快速闸门断流，其中出水流道12扇，进水流道24扇，通过调控进出流道的液压快速闸门，可实现太湖湖西地区的内涝水经过运河提排或自排入长江，也可提灌或自引长江进入太湖湖西地区，谏壁泵站的剖面图见图1。自1978年建成以来，泵站主要是通过提排、提灌解决太湖湖西片的排涝灌溉需求。近年来，也开始尝试泵站的自排自引功能，但有关不同上下游水位差、不同引水排水流量下的闸门合理开启模式还处于摸索阶段，亟待从理论上予以探讨。

图1 泵站剖面图Fig.1 Pump station profile

2 自排自引数值模拟模型

2.1 控制方程

泵站双向流道内的水体具有连续性和不可压缩流体[6]，其时均化的动量方程(RANS)与连续性方程可表达为：

(1)

(2)

式中：ui表示平均流速；p表示平均压力；μ表示分子黏性系数；μt表示涡黏性系数，可用涡团黏性假设表示；Cμ为系数，取0.09。

湍流模型采用标准的k-ε方程：

(3)

(4)

2.2 边界条件[7]

自引自排工况下，因只开启下层进水流道闸门，而水泵不运行、出水流道闸门关闭，因此，可假设水泵段及出水流道区域为死水区。数值计算只需模拟双向进水流道的过流特性即可。双向进水流道的边界条件包括：进口边界条件、出口边界条件以及固壁面边界条件。

(1)进口边界。进口边界设在进水池处，并假定来流为充分发展湍流，进口断面流速分布均匀且垂直进口断面。

(2)出口边界。出口边界设在出水池，考虑出口可能存在回流，在CFX前处理中出口边界设置为Open Pressure and Direction，即：给定压力值，并假设压力方向垂直于出口断面。

(3)固壁面边界。假设壁面无滑移；对于近壁面区，当y+>11.06时，使用标准壁面函数，而当y+<11.06时，则将y+=11.06直接代入标准壁面函数中。在CFX前处理中即为Scalable壁面函数。

2.3 三维造型与网格剖分

鉴于谏壁泵站原型双向进水流道尺寸较大，为了确保模拟的准确性，特别是满足近壁面函数条件，所需网格数量过于巨大。为此，可据相似理论将原型按照几何比尺19.33缩小至模型进行精确模拟和深入研究。由谏壁泵站双向进水流道的几何形状与尺寸，使用Pro/E造型软件进行三维实体造型，并将其导入GAMBIT中进行网格划分[8]，如图2、图3所示。为避免网格数对计算结果的影响，对计算模型划分了9种不同网格数量方案进行比较，图4为不同网格数计算结果。分析表明，当网格数量大于360万时，计算结果的波动范围在1%～3%之间[9]，考虑到网格数量对于计算资源的占用和耗时的影响，最终确定网格数量为360万。

图2 进水流道造型Fig.2 Inlet channel model

图3 进水流道网格剖分Fig.3 Inlet channel mesh

图4 网格无关性检测Fig.4 Mesh independent detection

3 计算结果与分析

3.1 单侧闸门不同开度下过流特性

如图1所示，单侧闸门不同开度下过流特性是假设从长江引水至太湖，若保持长江侧闸门2全开，而运河侧闸门1部分开启的引水特性。数值模拟中，选取了的运河侧闸门相对开度分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0五种工况。分别计算每一闸门开度在不同流量下的对应水位差。不同相对开度下的流量与水位差关系曲线，如图5所示。

图5 长江侧闸门全开时的流量与水位差曲线Fig.5 The flow and water level difference curve of Changjiang river side gate fully open

工程实际中，水位差由上、下游水位传感器测得，对于既定的水位差和需水流量，可根据图5的数值计算结果确定合理闸门开度。首先根据上下游水位差在图5的纵坐标上找到该水位差点，过该点作水平线，与不同开度的流量压差曲线相交，每一交点分别对应于一个流量和相对开度，以相对开度为横坐标，流量为纵坐标，绘制出流量与开度曲线。由流量与开度曲线可查得不同需水流量对应的相对开度。

图6为水位差200 mm时的闸门相对开度和流量关系曲线。若需水流量为22.42 m3/s，由图6可快速查得闸门相对开度为0.505，即闸门总高度的50.5%。对于其他不同水位差和需水流量下的闸门相对开度的确定和上述方法类似。

图6 进水侧闸门全开时出水侧闸门相对开度流量曲线Fig.6 The relative outlet side gateopeningdegree of the flow curve while the inlet side gate is fully open

3.2 组合开度下流道的过流特性

谏壁泵站双向进水流道设有4扇闸门，自引自排时的闸门开启存在多组合。因此，还需探讨双侧闸门部分开启组合的过流特性。为保证引水(排水)的对称性，进水流道一侧的两扇闸门开度应相同。现仍以上下游水位差200 mm、引水流量22.42 m3/s工况为例分析。根据上小节的分析结果，运河侧闸门相对开度应大于50.5%，设计长江侧闸门相对开度为0.8和0.6的两个方案以及一个运河侧全开的方案进行对比。

(1)如图1所示，保持长江侧闸门2的相对开度为0.8，调节闸门1的相对开度使其分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0，分别计算每一闸门开度在不同流量下对应的水位差。不同相对开度下的流量与水位差关系曲线，如图7所示。

图7 进水侧闸门相对开度为0.8时的流量水位差曲线Fig.7 The flow and water level difference curve while the inlet side gate relative opening degree is 0.8

根据文中3.1节处理方法，可绘制出水位差200 mm时闸门相对开度与流量之间的关系曲线，通过查图可得流量为22.42 m3/s时对应的运河侧闸门相对开度为0.528。

(2)保持长江侧闸门2的相对开度为0.6，调节闸门1的相对开度使其分别为0.2、0.4、0.6、0.8，分别计算每一闸门开度在不同流量下对应的水位差。不同相对开度下的流量与水位差关系曲线，如图8所示。绘制出水位差200 mm时闸门开度与流量之间的关系曲线，通过查图可得流量为22.42 m3/s时对应的闸门开度为0.605。

图8 进水侧闸门相对开度为0.6时的流量水位差曲线Fig.8 The flow and water level difference curve while the inlet side gate relative opening degree is 0.6

(3)保持运河侧闸门1全开，调节长江侧闸门2的相对开度使其分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0，分别计算每一闸门开度在不同流量下对应的水位差。不同相对开度下的流量与水位差关系曲线，如图9所示。绘制出水位差200 mm时闸门开度与流量之间的关系曲线，通过查图可得流量为22.42 m3/s时对应的长江侧闸门相对开度为0.52。

图9 运河侧闸门全开时的流量水位差曲线Fig.9 The flow and water level difference curve of canalriver side gate fully open

3.3 不同闸门开启方案的流道内流特性

图10 双向流道内部速度等值线Fig.10 Internal velocity contour of two way flow passage

单侧开启闸门和双侧组合开启闸门，当上下游水位差为200 mm时，均能满足引水22.42 m3/s的要求。为了比选最优开启方式，分别数值模拟4个可行方案的内部流动，如图10所示。研究表明，不同方案的流道内部流动差异明显。当长江侧闸门全开，运河侧闸门部分开启时流道内进水侧的流速分布最为均匀；随着长江侧闸门开度的减小与运河侧闸门开度的增大，流道内部进水侧的湍动增加、流速分布不均而出水一侧的流态相对较好，但由工程实际可知在整个流道中进水侧的流态对于机组的影响相较于出水侧的流态来说更为明显。由此可见，当进水侧闸门开度越大，在相同条件下通过相同的流量时，流道内部进水侧流场的流速分布越均匀，方案也越优。

4 结 语

本文以标准k-ε湍流模型方程和时均N-S方程对谏壁泵站双向进水流道不同闸门组合开度进行了模拟计算，得到了不同水位差下流量与闸门开度的关系及不同闸门开度组合下的流道内部的流场，通过分析得到了如下结论：

(1)引水(排水)时，保持进水一侧的闸门全开，控制出水侧闸门开度来调节流量是合理方案。

(2)对既定的上下游水位差，根据需水流量，利用数值模拟得出的开度流量关系线，实现闸门开度的精确控制，对双向流道自引(自排)合理运行具有指导价值。

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