基于Ansys Fluent的多孔水闸三维湍流数值试验分析研究

穆 燕

(五家渠农六师勘测设计研究有限责任公司，新疆 五家渠 831300)

水资源的有效利用与调度关乎国家可持续的经济发展[1-3]，水闸作为重要水利资源调度设施，其在水利工程中应用及结构安全稳定是当前许多水利工程师与学者致力研究的方面。水闸在开启与关闭状态下实质上处于多相场条件下，其内部流体状态关乎水闸水利正常运营调度，分析流体不稳定运动状态，水闸可及时调整纠正，降低水闸结构磨损[4-5]。已有一些学者与工程师通过在水闸工程现场安装监测设备，分析水闸运营过程中流体运动状态[6-8]。另还有一些学者同样通过现场监测资料，对比流体运动理论值与实际值[9-10]。当然还有一些学者基于水工模型试验，研究水闸在实验室中运营状态，获取水闸流场特征[11-12]。相比模型试验与现场监测，数值试验更较快速高效的获得流场各特征参数量值与分布[13-15]，为水闸管理运营部门提供重要参考。

1 三维湍流流动理论

1.1 湍流模型

水闸内水流的三维流体运动，服从下式

(1)

式中：ui指流场中某方向的流速矢量；xi指流场中某质点坐标参数。

含雷诺应力的N-S方程为

(2)

但不可忽视动量方程(2)式中存在有雷诺应力，故而引入涡粘性模型，表征雷诺应力解，其表达式为

(3)

除此之外，还有标准简单的耗散能-湍动能表述雷诺应力解，表达式为

(4)

湍流运动粘度系数为

(5)

式中，Cμ指常数。

该模型方程中水流运动输送式可为

(6)

(7)

式中：C1ε、C2ε、C3ε指水流运动常数；σk、σε指角标对应的Prandtl常数；Sk、Sε指可变常量。

相比标准耗散与湍动能模型方程，涡粘性模型能更好模拟处曲面下的流场环境，计算精度更高。

1.2 控制方程

分析流场各个质点单元体特性，即是求解模型中的控制方程，本文引入压力修正方程理论，解析三位湍流运动，压力修正法基于压力场p*与假设压力场p′之间的误差p为基准表达式，即

p*-p′=p

(8)

推广至流速等流场特征参数，有

(9)

为了使假设压力场等特征参数与实际场更接近，进行SIMPLE式修正，可得到修正后流速指为

(10)

获得修正后流速等流场特征参数后,可反之代入动量守恒定律，可

(11)

再以动量方程计算得到二次修正后流速等特征参数，即

(12)

联系二次修正压力场p***与流速参数u***，获得二次压力修正式为

(13)

1.3 自由水面模拟

水闸结构中包括有水流场与气流场，而其水面为两场交接面，属水汽两场兼存，如何确定即模拟出该自由水面是解析三位湍流运动重要方面。本文引入水气两相流模型表征该特征自由面，以αq相体积分子表征自由面上的多相状态，且由于相体积分子与插值时间有关，将时间因子作为隐式插入，得到隐式时间下的相体积分子式

(14)

在不考虑相变条件下，三维湍流运动中，有体积分子的连续方程为

(15)

设定水相场与气相场体积分子数值和为1，引入修正式的HRIC控制准则，获得自由界面容积表征值为

(16)

式中，下角标指参数自由界面容积控制参数。

另有容积界面与相界面之间交集。

基于上述自由界面多相场理论，结合湍流运动模型理论，研究水闸三维湍流运动特征。

2 工程概况

某水闸为多孔式，每孔宽度达到6 m，净高超过2.5 m，闸室基础以桩基承载，水闸设计流量值为125 m3/s，最大安全流量值为180 m3/s，输送水资源以涵管作为渠道，设计灌溉农业面积超过300万亩，但由于水闸年代久远(1980年设计修建运营至今)，农业灌溉面积逐年减少，由于区域内重要引水枢纽工程竣工投入使用，该水闸面临较大流量冲击及更多农业灌溉面积要求。为此，水闸管理部门针对该多孔水闸开展维修加固，使原老旧水闸能成为区域内重要调度水资源枢纽设施，加固后正常运营流量设计为120 m3/s。水闸重新加固设计为六孔式混凝土闸室结构，设计闸室上游建设钢混铺盖结构，保证闸室能承受较大水流量冲击，下游建设有翼墙护坡结构，高度约为6.8 m，闸顶高程设计为22.53 m，闸室底部高程为8.8 m，以6台卷扬式启闭机作为闸门启闭控制设备，闸室底部设置防渗土工膜结构，并铺设垫层，加固闸室稳定性，下游另布置7 m厚的反滤层，水闸调控水位差为0.2 m，保证闸流量处于正常运营区间，该多孔水闸加固设计后的平面图如图1所示。

图1 多孔水闸平面图

依据地质勘察资料得知，水闸所处区域内地质构造活动并不显著，部分地表出露岩石见有节理结构发育，夹层内含有第四系人工填土体，工程场地内覆盖土层为第四系表土层与冲积层，表土层以人工种植土为主，冲积层包括有粉质粘土与淤泥质砂土层，局部属软塑状态，厚度约在4.5～7.8 m，砂砾粒径为4～10 mm，土体含水量超过35%，基岩为中风化灰岩，现场钻孔岩芯可看出基岩层表面孔隙较少，完整度较高，地基标准承载力探知为200 kPa。

3 三维湍流数值模拟分析

3.1 模型建立与研究工况

以混凝土铺盖层上游21 m至下游反滤层结构10 m处为水闸计算模型范围，其中包括有消力池、闸室等水闸附属结构，闸室顶底部高程参照前文所述，岩土体材料参数亦按照室内土工试验所得结果，以Ansys Fluent中六面体单元为基本组成，所建几何模型如图2所示。网格划分时，在流线分布较密集区域网格划分应较为密集，划分后相邻单元体尺寸变化应在1.2以内，流场区域内壁面网格划分应符合二次压力式修正计算原则，壁面区单元长宽比应在5～10之间，网格线与流场线间关系应方便修正HRIC控制准则计算。

图2 几何模型图

边界条件参照水闸所承受荷载施加，包括有上游进水位压力与入口空气压力、下游出口空气压力设定为0、出水口水头压力、气体边界条件以壁面为限制区间，以二次压力式修正准则赋予气相约束条件。本文以闸孔的开启程度(相对开度值)作为区分水闸三维湍流场研究工况，当水闸相对开度超过0.65，视为堰流，否则即为闸孔出流。该水闸模型计算出工况一、二、三相对开度值分别为1、0.8、0.5，即分别属堰流、堰流、闸孔出流。

3.2 计算结果分析

3.2.1 流速特征

流速分析选取水闸模型断面内10个断面作为代表，各断面所在模型位置如图3所示，将该10个断面流速以曲线图形式展示，获得图4中各工况不同时间段的流速变化曲线。

图3 断面所在位置图

图4 不同时间段的流速变化曲线图

从各时间段的流速变化曲线可看出，不论是哪种流态，流速整体呈先增大后减小再发展增大态势，分析指出水闸上游入口处过水断面面积较大，故流速较小，进入水闸控制室后，过水面积逐渐降低，故流速增大，直至水闸闸室内达到最大流速，后出水闸进入下游泄洪及消力池等设备中，水面宽度增大，流速降低，直至进入下游末端陡坎处，水道变窄，故流速增大。工况一下最大流速值为0.8 m/s，且整体上随时间增大，流速值有增大态势；在工况二堰流中，40 s最大流速是0.002、10、20、30 s的3.2、1.51、1.05、1.07倍，达到0.97 m/s；对比工况一与工况三，除0.002 s以外，各自工况下的10～40 s流速变化曲线均具有一致性，工况三最大流速均出现在断面5处(X=-15 520)，且各流经时间下的最大流速值均高于工况一；对比工况一与工况二同为堰流状态下，工况二闸门相对开度值更低，但其在30、40、20 s时间下流速值高于工况一，而0.002 s与10 s最大流速值基本相差无几，且工况二下流速变化特征与闸孔出流下具有相似特征。表明水闸堰流状态时，闸门相对开度愈小，流速值愈大，且流速表现特征愈接近于闸孔出流。

3.2.2 相特征

由各工况下不同时刻水闸下游泄流阶段水闸内相场分布云图(略)可看出，工况一下水流场在泄流过程中随时间推移区域平稳状态，除t=10 s时由于泄流初始导致水气相产生一定紊动，其他时间内稳定性超过水气两相波动性。工况二由于闸门开启程度并未全开，故在泄流时上游水位呈逐渐降低态势，下游水位由于消力池存在增大了流速，水位逐渐抬高，并达到设计水位，在t=40 s时，水位稳定。工况三为闸孔出流状态，水流场在初始泄流状态由于闸门开启程度较低，下游泄流时，流速降低，而水位逐渐抬升；直至100 s时，泄流水位逐渐在水闸上游降低至设计水位，故下游水闸的高水位亦逐渐降低至平稳状态。

3.2.3 流态特征

图5为各工况下不同时间的流场特征云图，限于篇幅展示出Y向速度流线与X向矢量图，并以t=10、40 s水闸代表断面为例分析。从图5中可看出，工况一Y=9 000断面处最大流速值为0.85 m/s，工况一堰流状态水流流速值不受闸门开启影响，在闸室内平缓变化，速度矢量方向沿侧边指向中间，此是由于过水断面的变化造成流速矢量方向由一侧倾向于另一侧。t=40 s时，同一个Y断面的最大速度增大了35.3%，达到1.15 m/s，且流速矢量方向相比初始10 s状态时，流速更倾向于水闸中间区域结构处，在下游陡坎处水流波动性愈小。工况二同为堰流状态，但其闸门并未全部开启，故闸室内处于部分水气两相场，影响闸门对流速的控制，另X、Y向同断面处闸门流速矢量向稳定性相比工况一更受到水气两相影响，工况二X向断面矢量方向无序性更显著。相比前两工况的堰流状态，工况三闸孔出流下水闸上游流速较小，但整体流速趋势较平稳，流速矢量方向在中间区域最大，向两侧扩散，且随时间推移，下游消力池端口处流速矢量较大。

4 结 语

针对多孔水闸湍流特性，引入三维湍流运动理论，依据水闸工程地质资料，建立数值分析模型，分析水闸三维湍流场特征，得到了以下几点结论与认识：

1)研究了水闸在堰流与闸孔出流下流速均是先增大后减小再发展增大态势，工况一下最大流速值为0.8 m/s；工况二的闸门相对开度愈小，流速值愈大，且流速表现特征愈接近于闸孔出流；工况一与工况三流速变化曲线具有一致性，最大流速均出现在断面5处。

图5 不同时间的流场特征云图

2)分析了水闸下游泄流时相场分布特征，堰流下闸门相对开度愈小，流场受气场影响扰动较大；闸孔出流状态下随泄流带来流速降低，水位抬升，但下游水位会在100 s后趋于平稳。

3)获得了三个工况下不同时间的流场特征，工况一Y=9 000断面处最大流速值为0.85 m/s，而40 s时该断面处增大了35.3%，达到1.15 m/s，流速矢量在下游陡坎处水流波动性愈小；工况二流场特征与工况一类似，但其流速矢量分布更趋于无序性；工况三整体流速趋势较平稳，下游消力池端口处流速矢量较大。