山东水利工程泄洪闸泄流水力特性的模拟研究

马晓莉

(山东省德州市德州市陵城区禹兴水利建筑工程有限公司机械分公司，山东 德州 253500)

0 引 言

改革开放以来，大量水利工程的兴建对河道下游地区的防汛、泄洪等起到了重要作用，南水北调等大型水利工程为中国干旱、缺水地区带来了很多的便利[1-3]。在水利工程的建设及使用阶段，泄流设施的选择及其泄流特点是水利工程研究的重点之一[4]，泄洪闸由于可以在动水中自由开闭闸门并且可以有效的调节泄洪量而被广泛的应用于水利设施中[5-7]。泄流建筑下游的泄流过程由于空气的掺入变得十分复杂，泄流速度过快也会影响下游水利设施的正常运行，为防止下游建筑的破坏，需要针对不同的工程采取不同的下游泄洪消能措施[8]，研究泄流建筑的泄流特性对泄洪消能措施的选择具有重要的意义。

根甘肃某水利工程泄洪闸在solidwork中建立几何模型，利用ANSYS内置模块进行网格划分及泄流模拟，将模拟结果与现有试验结果作对比，验证模拟结果的可靠性，进一步阐述该泄洪闸的泄流特性及泄流能力，针对泄洪闸结构设计部分给出相关的工程建议，以确保泄洪闸下游水利建筑的安全性。

1 工程概况及数值模型

某水利工程下游的消能方式为低流消能，组成水电站的主要结构有：挡水坝段、泄洪闸、土石坝以及厂房坝段等。水电站工程等级为中型三等，水利枢纽的主要建筑物、次要建筑物、临时建筑物级别为3级、4级、5级。水电站机组容量63MW，最高水头为150m，正常蓄水位为1595m。

泄洪闸设置在河床的右侧，设有5孔，孔口宽20m，每孔都分别设有一道检修门和工作门，孔口尺寸均为20m×12m，闸门顶部高程为1600m，底板高程为1584m。泄洪闸中轴线横断面，见图1。

图1 泄洪闸中轴线横断面

模型左侧为水流及空气进口，设置为速度进口；右侧为压力出口边界，出口边界面与水流方向垂直；由于模型近壁面处的水流会变为层流，因此利用Fluent软件设置边界条件时需要选择壁面函数法来处理壁面边界，这样就避免了近壁面处网格加密的繁琐，增加了计算效率；在模拟时采用VOF法对自由水面进行追踪，该方法假定计算过程中的水、空气不相互交换质量，2种流体仅在各自计算单元内发生形态的变化。

为讨论泄洪闸的尺寸、形式是否合理，设计洪水位以及校核洪水位两个工况的泄流模拟结果均需要纳入考虑。工况相关参数，见表1。

表1 工况相关参数

2 计算方法

采用标准k-ε湍流模型进行湍流场的模拟计算时，控制方程如下，其中，式(1)为k方程，式(2)为ε方程。

(1)

(2)

式中：k为湍流动能，J；ui为时均速度，m/s，i=1，2，3；μ为湍流动力黏度系数，Pags；ρ为流体密度，kg/m3；ε为湍动耗散率；σk、σε、C1ε、C2ε、Gk均为闭合系数。

为方便后续方程的离散，将上述两个方程合并为一个方程如下：

(3)

采用有限体积法对k-ε湍流模型控制方程(3)进行离散，得到：

(4)

式中：α、αa为计算控制体的线性化系数、相邻控制体的线性化系数；φ、φa计算控制体任意参数、相邻控制体任意参数。

利用有限元软件模拟的具体步骤如下：①运用solidwork软件进行集合模型的建立；②将集合模型导入ANSYS Workbench中进行流体区域的网格划分，共划分为4949430个网格单元，模型共有865460个节点；③在Workbench中链接Fluent有限元模拟软件进行边界条件的设置以及不同工况的数值模拟。

3 计算结果

3.1 泄流量

泄流量对比，见表1。2个工况的实测、计算值误差很小，均在5%以内，因此可以说明标准k-ε湍流模型的计算方法适用于该泄洪闸，Fluent软件中对边界条件的设置也满足该模型的模拟需求。实测值与计算值产生误差的主要原因是：实际物理模型试验中，外界条件会发生变化，导致进口流体的流速、空气密度等发生改变，但有限元软件模拟时，整个计算过程中的外界环境以及边界条件均不会发生改变。

表2 泄流量对比

3.2 水气交界面

实际物理模型试验中，真实的水气交界面由于泄流的复杂性而难以捕捉到，因此在选择对比的试验结果时，仅对物理模型中的几个关键节点进行水气交界面监测，为方便对比，数值模拟结果同样选取位置相同的监测点，并检测体积分数为50%的水气交界面位置。水气交界面位置，见图2。

由图2可知，2个工况计算所得水气交界面在闸室上游比较平稳；进入闸室后，由于过流横截面突降，闸室内的水气交界面也随之突降；由于泄洪闸内的泄流量不变，因此在闸室内会出现水位雍高的现象，水气交界面逐渐增高；流体进入消力池后，水气交界面位置逐渐增高；当流体经过钢筋防护段时，由于防护笼对水流有一定的阻挡作用，因此水气交界面开始逐渐降低，这时流体即将到达泄洪闸出口，在出口处水流会出现急流现象，急流同样会使接近出口的流体水气交界面降低。

(a)校核工况

(b)设计工况

图2中2个工况水气交界面在各个位置的发展规律基本相同，但由于校核水位比设计水位高，所以水气交界面突降值也比设计工况大。在校核水位下，实测值普遍>计算值，在设计水位下，实测值普遍略<计算值，产生这种现象的主要原因是：开展物理模型试验时，2个工况不能同时进行，而不同时间进行试验外界环境会发生改变，因此会影响到测量结果的误差。但从图中可以看到，2个工况的实测值与计算值相差不大，验证了该泄洪闸模型的可靠性。

3.3 压强

为了防止泄洪闸在工作时，底板压力出现负压或压强极小而导致空化等现象的发生，在试验中对部分节点进行压强的检测，在泄洪闸模型上分别设置15个压强监测点。压强监测点位置，见图3。

压强发展规律图，见图4。由图4可知，两个工况的压强发展规律相同：①在水流进入闸室之前都处于比较平稳的状态；②进入闸室后，由于水气交界面的突降，导致闸室底板的压强也发生突降；③在消力池中，由于水位雍高，水气交界面位置增高，导致压强增大；④在消力池内，压强发展平稳；⑤当流体脱离消力池时，水流受到消力坎的作用而流动缓慢，导致流体压强突降；⑥流体流出消力池后，压强发展趋于平稳。

图3 压强监测点位置

2个工况计算结果中，压强均为正并且没有出现压强极小的现象，可以说明该泄洪闸的结构设计比较合理，消力池的存在有效的避免了压强持续突增现象。图4中，两个工况的实测值与计算值相差不大，再一次验证了计算方法及模型的可靠性。

(a)校核工况

(b)设计工况

3.4 流速

对3个关键截面进行流体流速的监测，校核工况截面流速分布，见图5；校核工况截面流速分布，见图6。2个工况相同截面的流速分布特征相似：0+033.5截面位于闸室末端、消力池的前端，0+071.5截面位于消力池末端，因此0+71.5截面经过消力池的消能作用后，最大流速明显<0+033.5截面，并且水流更加趋于平稳状态，说明该泄洪闸消力池的消能作用明显，存在价值高；在0+150.0截面处，最大流速由于水气交界面的降低而增大，说明虽然消力池的存在能有效地消减一部分能量，但是水流脱离消力池后仍有余能存在。

图中可以得到，2个工况的3个截面实测值与计算值相差不大，但在0+033.5截面处的误差最明显，主要原因是：该截面位于泄洪闸闸室末端，此时水流开始进入消力池，截面尺寸发生改变，消力池开始对流体产生作用，导致该处的泄流状态比较复杂，物理模型在实际试验中将所有外界条件的改变都纳入考虑，而数值模型模拟时，不能完全贴合实际情况，因此此处的误差相对较大，但在可控范围内，又一次验证了数值模型模拟结果的可靠性。

(a)0+033.5截面

(b)0+071.5截面

(c)0+150.0截面

(a)0+033.5截面

(b)0+071.5截面

(c)0+150.0截面

4 结 论

以某三级水电站泄洪闸为研究对象，利用solidwork建立泄洪闸模型，运用ANSYS有限元软件中的不同模块进行网格的划分以及泄洪闸泄流的模拟，并与试验结果作对比发现，数值模型的模拟结果与试验结果相符，验证了模拟结果的可靠性；在泄洪闸工作时，闸室入口因截面改变，所有监测参数均发生突变，消力池内流体流动平稳，接近泄洪闸出口的位置由于急流现象而造成各监测参数二次突变。

该泄洪闸的结构设计比较合理，消力池的存在有效的消减了一部分能量，但流体流出消力池后仍有余能的存在，因此建议加强在下游处加大钢筋防护笼的长度与强度，避免余能对下游建筑造成破坏。