基于UG-FLUENT计算的淮河入海水道二河新泄洪闸泄流数值试验分析研究

周振兴 吴 成

(江苏省灌溉总渠管理处，江苏 淮安 223200)

1 引 言

泄洪闸作为水利枢纽工程中重要组成部分之一，是水资源控制调度的重要水利设施，研究泄流运营状态下其流场安全稳定性具有重要作用。泄洪闸由消能池及尾坎等水工结构组成，研究泄洪闸应系统性考虑整体流场状态。因此，许多水利工程师或学者通过水工模型试验，设计了适应不同水电站运营下的泄洪闸泄流模型试验，提升了泄洪闸设计水平。当然，在泄洪闸工程现场安装流速测试传感器或静力监测传感器等，可获取工程现场泄洪闸运营过程中的实测数据，研究数据之间的规律性，为其他类似水利工程设施设计运营等提供参考。相比而言，数值方法较为高效，且可用来研究较为复杂工况下的泄洪闸泄流运营情况，对提升泄洪闸的泄流认识具有重要作用。本文借助三维建模软件与流体分析后处理软件，研究不同泄流工况下淮河入海水道二河新泄洪闸的水力特性，为揭示泄洪闸泄流时流场特征提供一定参考。

2 泄流数值计算理论

泄洪闸正常泄流运营时，按照流体力学理论，其紊动能与耗散率可采用双方程形式表述

(1)

式中ui、uj——流速，m/s；

k——流场特征参数，紊动能；

CD、μt、μ——与流场相关的特征参数；

σt——体力，N。

而方程中重要流场特征参数耗散率可表述为

(2)

联立以上方程可得到流体介质传输运动方程为

(3)

(4)

式中Cμ——常数；

Ck、Gb——与紊动能有关的参数项；

YM——流场扩张项参数。

在上述方程基础上，获得N-S方程为

(5)

式中Fx、Fy、Fz——体力分量，N；

p——压力，Pa；

τii——黏性力分量，Pa。

综合动量与能量守恒原理，则双特征参数流场特性的方程可归纳总结为

(6)

式中 Г、S——能量参数系数；

在FLUENT后处理软件计算过程中，以有限元离散插分为原则，如下

(7)

式中A——矢量断面截面积，m2；

另结合梯度离散化方程如下：

(8)

求解获得每个网格单元体的参数解，以线性化表述为

(9)

式中αp、αnb——离散后线性系数。

另流场域内自由水面按照流体介质的运动限制特点，确定其自由界面方程为

(19)

式中aw——自由界面高度，m。

在上述理论分析基础上，借助FLUENT后处理软件，计算每个单元体流场特征，并限定在边界约束条件内，获得整个研究模型的流场特征。

3 工程概况

淮河入海水道是江苏滨海城市重要输水线路工程，承担着区域内水资源调度以及丰、枯水季供应，全长168km，设计运营洪水流量800m3/s，下游建设有泄洪闸等水利设施，其中二河新泄洪闸是工程线路上一级控制水闸，采用钢筋混凝土材料浇筑形成，设计为多孔式，共10孔，总宽度超过120m，泄洪闸尾端建设有消能池，降低水力冲刷对水工建筑结构的损害，另在泄流区段两侧设置导墙结构。二河新泄洪闸位于坝体右岸，闸顶高程约为1555m，各孔间距为15m，以闸墩为基本承重构件，闸墩分布在闸室两侧，每根闸墩厚度约为2.4m，下部建有承重平台与闸室接触，闸室底部高程为1538.5m。工程现场监测表明，控制闸正常运营期间，泄流量最大为2270m3/s，根据不同洪水发生频率，泄流量可适应性调整，其中30年一遇洪水泄流量最大可为2890m3/s。本文针对输水线路上游不同水位条件下泄流量的变化，研究各工况中流场分布特征。

为了更好开展数值试验，需了解该泄洪闸所处工程现场基本地质状况，从地质勘察资料中得知，所处区域内无显著破坏性地质构造活动，仅在泄洪闸左侧翼墙岸坡上见有延伸较短的向斜，稳定性较好，无破碎带夹层。工程场地表面覆盖土层为第四系填土层，厚度最大为2.8m，颗粒分选性较好，密实性较差，但在局部地区较为密实，主要是河流冲刷搬运碎石结构填充后，密实度提高；在该土层下分布有粉土层，厚度为2.6～3.8m，含水量中等，室内重塑后密度可达1.8g/cm3，另该土层承载力较表面覆盖土层要高，作为泄洪闸下游导墙地基持力层；再下一层土体主要为粒径不同的砂砾石土，愈接近基岩层，粒径愈大，最大粒径超过5.6mm，析水性较高，冬天温度较低时并不会出现冻胀破坏。基岩层主要岩性为片麻岩，室内测试表明，密度较大，强度较高，孔隙度最低仅为0.3%，水流在基岩裂隙层活动性较弱。在上述工程资料基础上，本文开展建模数值试验，研究二河新泄洪闸泄流运营期水力特征。

4 泄流水力特性分析

4.1 建模及研究工况

利用UG软件按照泄洪闸设计图建立其三维几何模型，简化其中部分对泄洪闸水力特性影响较小的水工结构，获得如图1所示几何模型。利用UG建模软件，添加边界约束条件后，可较快划分出流场分布区域，校核洪水位下流场分布域与边界条件见图2。二河新泄洪闸闸门为弧形闸门，而针对平面式闸门及其他类型闸门设计结构，其流场特性受到上、下游同一底缘高度、倾角、门槽等参数影响，而对比平面或弧形闸门，其相关参数限于不在同一水平，无法比较，因而本文仅对弧形闸门这类泄流水力特性开展分析研究。

图1 泄洪闸几何模型

图2 流场分布域及施加边界条件后模型

利用Workbench工作平台划分几何模型单元网格，以SOLID65作为基本单元体，共获得单元网格数4688642个，节点数826458个，划分后数值模型图见图3。本文主要研究校核洪水位、设计洪水位、30年一遇洪水位和5年一遇洪水位四个工况，所处工况条件下泄洪闸控制泄流量分别为3291m3/s、2987m3/s、2384m3/s和2270m3/s。

图3 划分网格单元后数值模型

4.2 流场特征计算分析

4.2.1 水面线

根据FLUENT后处理计算获得流场自由水面，不同泄流工况下自由水面分布云图见图4，另给出各工况水面线在断面纵向长度上对比，见图5。从图4中可看出，各工况下水流场与气相场分界线较为显著，流场与气相场分布形态在各泄流工况下具有相似之处：泄流闸前水流均较为稳定，此时流态流线均为均匀水平状态；经泄流闸后，由于过水断面截面积减小，流速增大，倾向于往下游靠近，相比气相场，流场占比减小，水面线降低，各工况下第一次水面线降低均发生在泄洪闸断面0m处；经泄流闸过水断面后进入消能池，过水断面有所增大，水流场在断面中占比逐渐增大，水面线故而上涨；但在进入下游两侧导墙区域后，水面线均会二次下降，其中校核洪水位工况下水面线二次下降发生在断面110m处。从图5中可看出，各工况下水面线二次下降所处位置均有一定差异，设计洪水位发生在断面115m处，30年一遇和5年一遇洪水位发生在71.5m处、103.5m处，上游水位愈高，水面线二次下降所处位置更靠前。

图4 流、气相场分布云图

图5 各工况水面线变化曲线

4.2.2 压强特征

四个泄流工况中泄洪闸垂线方向上压力分布云图见图6。从图6中可看出，流场内压强特征分布与水面线具有相似之处，各工况中均未出现负压现象，消能池内由于水流受到低势能流体包裹，整体压力水平增大，而在尾端导墙和尾坎影响下，水流运动会进一步激发，压力面会稍增大。各工况中压强特征差异见图7，压强在断面上变化走向趋势基本一致，均呈“先减后增至稳定再降至稳定”变化，但各泄流工况下在第一次降低阶段减少幅度有所差异，校核洪水位和设计洪水位下压强一次下降幅度约为21.4%、49.7%，而30年一遇和5年一遇洪水位下降幅度分别为19.3%、12.9%，一次压强下降主要由泄洪闸过水断面积减少影响，分析表明在常遇洪水位下压强降低受泄洪闸节制影响较弱。另从压强一次增长至稳定状态来看，校核洪水位下压强稳定在140kPa，30年一遇和5年一遇洪水位压强分别稳定在120kPa、110kPa，稳定阶段变化幅度较小，均低于4%，但设计洪水位下该阶段压强呈稳定上涨，增大幅度约为28.4%，压强分布在95～122kPa。分析表明，上游水位愈高，则进入消能池后被势能愈低的水流淹没程度更佳，压强分布更趋于稳定，但在设计洪水位下，由于上游水位处于较为安全状态，泄流进入消能池后，能量不高的水流并不会被消能池中水流完全淹没，仍具有一定自主运动能量，因而压强会相对持续增长。

图6 泄洪闸压力分布云图

图7 各工况压强在断面纵向长度变化对比

4.2.3 流速特征

本文以各工况中泄洪闸垂线纵向断面上33.5m、71.5m、150m三个位置为流速分析特征断面，其中断面150m为泄洪闸闸室末端，断面33.5m、71.5m分别为消能池首、尾端，获得图8所示结果。从图8中可看出，经泄洪闸过水断面约束后，进入消能池流场内自底部至顶部，流速呈先增后减，校核洪水位和设计洪水位工况峰值流速分别为8.06m/s、8.47m/s，30年一遇洪水位峰值流速分别为前两者的92%以及88.2%，且频率愈低，流速愈小；分析是由于常遇洪水位上游水位较高，在泄洪闸内节制后，受到显著影响，势能转换效率降低，动能减小，流速较低。在消能池尾端可显著看出，各工况下尾端流速低于首端，设计洪水位下首端流速为8.47m/s，尾端流速相比降低了36.6%，达5.37m/s，在校核水位与30年一遇和5年一遇洪水位下尾端相比首端流速减小幅度分别为16.4%、28.2%、18.5%。分析表明，水流进入消能池后，在势能转换与低流速水流淹没影响下，流速会逐渐降低，呈现消能池尾端流速低于首端，即达到消能降力效应。在闸坝末端150m处，各工况下流场内流速变化特征几乎一致，但峰值流速以校核洪水位工况下为最大，达12.26m/s，常遇洪水位下流速较低，仅为前者的64%，表明上游水流经泄洪闸泄流后，流体动能大大降低，流场稳定性较佳，泄流安全性能较高。

图8 各工况流速-水深变化曲线

5 结 语

a.研究了流场内水面线分布特征，各泄流工况下水、气相场界线显著，水面线受泄洪闸节制与导墙尾坎影响，会经历两次下降，但二次下降位置与泄流工况有关，上游水位越高，二次下降所处位置越靠前。

b.研究表明：流场压强分布特征与水面线变化具有相似之处，各工况中均未出现负压，压强在闸室断面上均呈“先减后增至稳定再降至稳定”变化，常遇洪水位一次下降阶段幅度较低，30年一遇、5年一遇洪水位下降幅度分别为19.3%、12.9%，消能池内校核与常遇洪水位下压强稳定性更好。

c.分析了各工况中流速特征，消能池首端处峰值流速受常遇洪水影响，常遇频率愈低，流速愈小，30年一遇洪水位峰值流速分别为校核洪水位和设计洪水位的92%、88.2%；各工况中消能池尾端 流速均低于首端，设计洪水位下尾端流速相比首端降低了36.6%；各工况闸坝末端流速变化基本一致，但以校核洪水位工况下流速为最大，达12.26m/s。