不同闭门速度下的闸门水动力特性数值模拟

孟庆奎，伊元忠，陈 赟

（1.水利部水工金属结构质量检验测试中心，河南 郑州 450044；2.水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐830091；3.郑州大学 机械工程学院，河南 郑州450001）

0 引言

事故闸门的主要功能是在动水中截断水流以便处理或遏止流道下游所发生的事故，因此我们期望在保证安全的情况下，以尽可能快的速度关闭事故闸门，避免事故扩大，减少事故造成的损失。事故闸门动水关闭过程的水动力特性很复杂，闭门过程中会出现水气二相转换的湍流流动，闸后水流由满流向明流过渡，而此时闸门底缘处可能会出现脱流情况，易产生负压，引起闸门空化等现象，给闸门的安全运行带来隐患。因此闸门动水关闭时的水动力特性受到了学者的关注。

学者们[1-4]早期主要通过水力模型试验来实现对事故闸门闭门过程中水流流态、门体的水动力荷载特性等的研究，发现闭门时闸门区出现剧烈的明满流交替状态，闸门水动力特性的影响因素较多。随着计算流体力学的发展，对闸门闭门过程进行数值模拟的方法得到了广泛应用，刘景[5]利用有限体积法对不同开度的弧型闸门流场进行了三维数值模拟，得到了不同工况的流速场，张冬等[6]对平面闸门不同开度下的启闭力进行了数值模拟，得到了启闭力与开度的关系，章晋雄[7]研究了运行水头、上游底缘倾角和厚度等对闸门水动力载荷的影响，刘昉等[8]研究了底缘倾角和朝向对闸门闭门力的影响情况。这些研究为闸门闭门过程水流数值模拟提供了很好的方向。本文以某水利枢纽泄洪闸平面事故闸门为研究对象，采用RNGk-ε湍流模型、VOF模型及动网格技术，对平面闸门动水关闭过程进行了数值模拟，分析了闭门时闸门区的流场特征及闸门门体水动力特性，研究了以不同速度闭门时闸门底缘的压力情况，为事故闸门的水力设计及运行提供一定的参考依据。

1 控制方程及VOF模型

1.1 控制方程

目前雷诺平均法的k-ε湍流模型应用较为广泛，而RNGk-ε模型对弯曲流线和大压力梯度流动的模拟更准确，闸门区域水流属于弯曲绕流，故本文采用RNGk-ε模型对闸门动水关闭过程进行模拟。该模型的控制方程如下：

连续性方程

动量守恒方程

k方程

ε方程

式中：ρ为流体密度；μ为分子粘性系数；μt为湍流粘性系数，表达式为为压力；Gk为速度梯度引起的湍动能k的产生项，表达式为模型中通用的常数值为：

1.2 VOF模型

VOF方法[9]通过求解计算区域内某相流体的体积函数来进行自由表面的追踪。在某单元内，若第m相流体的体积函数为αm=0，说明单元内不存在该相流体；若第m相流体的体积函数为αm=1，说明单元内充满该相流体；若第m相流体的体积函数0＜αm＜1，说明单元内包含该相流体和其他相流体，即该单元为不同相的分界面。

某相流体体积函数的连续性方程为：

VOF方法具有计算量小、计算时间短、方便易行的特点，适用于闸门区水气交界面的追踪。

RNGk-ε模型在引入了VOF模型后，与原模型方程基本相同，区别在于密度和粘性系数不是单一相的，而是根据各相体积函数加权平均得到的：

2 计算模型

2.1 模型建立

以某水利枢纽泄洪闸平面事故闸门为研究对象，建立库区及流道的模型，见图1。上游库区长度为5倍进水口高度，下游流道长160m，为节约计算资源，库区模型只建立下半部分，库区模型顶部为30m水深处。闸底高程为1750m，正常蓄水位为1820m。上流到下游方向为x向，重力方向为y轴向，闸门跨度方向为z向。孔口尺寸为8.0m×10.0m（宽×高），闸门下游面板止水，闸门底缘为前后倾角组合形式布置。在ICEM中对流场区进行六面体结构化网格划分。

图1 流场模型

2.2 网格更新方法

动网格技术可用来模拟边界随时间改变而引起流场形状变化的问题，对运动边界的速度及角速度进行预定义，模拟其运动轨迹，并进行网格更新设置，使得边界运动的同时相关网格能同步更新，从而得到整个流场的变化情况。

闸门按一定速度闭门为单向无往返运动，可采用铺层法和域动网格法结合的方式来实现闸门区网格的更新。铺层法是依据运动规律，通过在相邻运动边界处增加或减少网格层数，来更新变形区网格的，该方法能有效处理拉伸体网格变形，适用于结构化网格，通过设置分裂和坍塌系数，可使更新后的网格仍是结构化网格，对计算精度影响较小。域动网格是将闸门运动区域周围划为一个计算域，该计算域与其他计算域的交界面设为变形边界，该计算域内闸门底缘和顶部设为刚体运动边界，来实现闸门的闭门运动（见图2）。这两种方法结合使用可使更新后的闸门区域网格不产生畸变，保证网格质量和计算精度。

2.3 边界条件及求解方法

在闸门动水关闭的非定常流过程中，初始条件为闸门全开的恒定过流流场。上游库区采用压力入口边界条件，因选取库区区域较大，可以忽略动压作用，故库区入口压力设置为静压分布，具体压力值通过UDF命令编写设置：

图2 域动网格法闸门区设置图

其中：ρ为水的密度；g为重力加速度；h为库区蓄水位；y为压力点距流道底部的高度。

闸门井和通气孔设置为空气压力进口；下游出口采用压力出口边界条件，设置为一个大气压。流道壁面为无滑移壁面，采用壁函数法模拟。

压力入口的湍流动能k和湍流耗散率ε由经验公式求得：

其中，u为进口面流速；I为湍流强度；L为湍流特征长度。

本文采用有限体积法对控制方程进行离散，采用PISO算法进行压力-速度耦合求解。该算法[10]增加了一个修正步，求解瞬态问题有明显优势。

3 闸门动水关闭数值模拟分析

将水头70m，闸门闭门速度6.0m/min，关闭时间100s，定为工况1。对工况1进行闸门动水关闭的仿真模拟。

3.1 动水关闭时闸后流场分布情况

图3为闸门闭门过程中0.6开度时闸门附近流场流速图，由图可看出闸门关闭过程中，水流经过闸底时呈绕流状态，过闸时流速加快，闸门底缘出现脱流趋势。闸门关闭至0.46开度时，闸后水流从满流状态向明满流转换状态转变，在0.15开度时闸后水流达到明流稳定状态。

3.2 动水关闭时闸后压力场分布情况

闸门闭门过程某一时刻闸门门体周围压力分布情况见图4。闸门关闭，由闸井开始进入流道，闸门上游迎水面面板压力逐渐增加，前半底缘压力沿水流方向逐渐降低，后半底缘上游侧出现负压，闸下压力沿水流方向逐渐减小，水流分离点在后半底缘的负压区上游侧，水流脱流后，闸下水流与闸门底缘间会形成空隙，易产生负压。随着闸门的逐渐关闭，闸门下游面板压力逐渐降低。

图3 流场流速图

图4 闸门门体周围压力分布图

3.3 动水关闭时底缘受力情况

闸门迎水侧底缘压力分布图见图5。由图5可看出，闸门底缘压力沿水流流向先增大后减小，由中间向两侧逐渐减小。

图5 闸门上游底缘压力分布云图

闸门关闭过程中底缘压力随开度变化曲线见图6。由图6可知，闸门底缘压力在闸门刚从闸门井进入流道时增大，之后逐渐减小，在闸门中等开度时达到最小，而后随着闸门的持续关闭而逐渐增大。

3.4 闭门速度对闸门底缘压力影响

分别设置闸门闭门速度为6.0m/min、4.5m/min、3.0m/min，对各闭门速度进行动水关闭仿真模拟，得到闸门底缘压力变化曲线见图7。由图7可看出，各闭门速度下闸门底缘压力随开度的变化趋势基本一致，且各开度下底缘压力值差别不大，说明闭门速度大小对闸门底缘压力影响较小。但闭门速度越大，出现明满流转换的闸门开度越大，明满流转换及吸气情况越剧烈。

图6 闭门过程中闸门底缘压力变化图

图7 不同闭门速度下闸门底缘压力变化图

4 结论

通过对平面闸门动水关闭过程进行数值模拟，得到了闸门闭门时闸后流场及压力场分布情况，研究了闸门闭门过程中底缘压力的变化情况，研究结果表明闭门时水流经过闸底时呈绕流状态，闸底水流脱流易出现负压；闸底附近压力梯度大，闸下压力沿水流方向逐渐减小；闭门速度对底缘压力影响较小，但闭门速度越大，出现明满流转换的闸门开度越大，明满流转换及吸气情况越剧烈。在规范下，适当提高闭门速度，在尽量短的时间内完成闸门关闭，对保证电站安全运行有利。

本文采取RNGk-ε湍流模型、VOF模型及动网格技术，对平面闸门动水关闭过程进行了数值模拟，更加方便的分析了闭门时闸门区的流场及门体水动力特性，减轻了原型观测及模型试验的工作量，分析结果也可为闸门水力设计提供一定的参考依据。