快速平面阀门静动水启门水力特性数值模拟研究

陈 云 苏 华 刘晓光 关炎培 王 震

1 武汉理工大学

2 中交水运规划设计院有限公司

1 引言

阀门动水启门过程中受到水流力的作用较为复杂,启闭力同时受到上下游水头差、启门速度、阀门底缘型式等因素的影响[1]。阀门启闭机容量的正确选型关系到阀门的安全运行。在省水船闸启闭过程中,阀门需要在水头差较小的静水和水头差较大的动水工况下快速启门,且需确保阀门在不同运动状态下均可顺利启门。因此,针对阀门启门过程的水动力学特性进行研究,并以此得出启闭机参考容量。

近年来,针对阀门启闭过程的水动力学特性的研究,专家学者们采用了原型观测法[2],物理模型试验法[3],数值模拟等方法[4]。Gumus等对平面阀门下游淹没式水跃的自由表面流进行了试验和数值模拟研究,通过对比试验结果和数值模拟结果,发现雷诺应力模型对水平速度的预测效果相对较好[5]。Marcou等基于晶格玻尔兹曼方法提出一种可用于模拟阀门周围流动自由表面的Latice Boltzmann模型[6]。Ava Marashi等提出一种旋转阀门新结构,通过物理试验研究了旋转阀门的水力特性[7]。Cassan等对阀门大开度情况下,阀门上下游的流动特性进行了试验和数值模拟研究[8]。戴冰清等研究了平板阀门闭门过程的水动力特性及阀门结构特性,并进行了相关试验验证[9]。牛利敏研究了长引水压力隧洞中平面阀门的启闭力特性以及阀门的运行稳定性[10]。刘昉等对高水头平板阀门闭门过程中水力学特性进行了数值模拟分析,探究了不同底缘形式下阀门的水力学特性[11]。

现有关于阀门启闭过程的研究,大多集中在阀门闭门过程,且水流出入口边界设置为随高度下降的压力边界,较少考虑出入口边界条件随时间变化的情况。在实际工程中,动水启门时阀门开度由小增大,水流经过阀门时,由于固体边界的影响和正负水锤效应,水流会形成绕流的弯曲流场,上下游面板会受到随时间大小变化的冲击力,导致阀门启闭力往往需要通过物理试验或数值模拟计算来确定[12]。

以某运河快速启闭平板阀门为研究对象,采用标准k-ε模型和动网格技术研究阀门启门运动边界与动水流场交互耦合作用下的水动力学特性。

2 理论基础及数值模拟方法

2.1 基本方程

流场中水流流动在仿真研究中需满足流体动力学基本方程:连续性方程、动量方程。连续性方程为:

(1)

式中,ρ为密度;t为时间;u、v、w为速度矢量在x、y和z方向上的分量。

不可压缩流体动量方程为:

(2)

(3)

(4)

2.2 紊流模型

目前的紊流数值模拟方法可以分为直接数值模拟和非直接数值模拟方法。结合研究的实际情况,采用标准k-ε模型来计算阀门启闭过程中的水动力学特性。k-ε模型公式为:

Gk+Gb+ρε-YM+Sk

(5)

(6)

式中,Gk为是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;Gb是由于浮力引起的湍动能k的产生项;C1ε、C2ε、C3ε为经验系数;σk、σε为湍动能k和耗散率ε对应的Prandtl数;Sk、Sε为用户定义项。

2.3 动网格技术

动网格模型可以用来处理流场形状由于边界运动而随时间改变的问题。采用动网格中的动态分层法及局部重划法,将流体域模型中的阀门整体区域各边界面作为刚体运动部分,输水廊道两个侧面设置为变形面,从而根据阀门运动情况更新该部分网格(见图1)。

1.变形边界面 2.外部计算区域 3.内部计算区域 4.运动边界 5.外部计算区域图1 动网格示意图

根据网格尺寸及动网格调试的结果,将网格重构最大尺寸设置为0.53 m。由于动网格不能处理边界从不连通到连通的突变,几何建模中阀门的初始位置为小开度,底缘距离廊道底部为7 mm(对应运动时间约1 s)。采用 UDF(用户自定义函数)定义指定的动网格边界运动,并且将运动函数定义在所划分的局部网格面或网格区域。阀门设定速度曲线见图2。在启门过程中,经历匀加速、匀速、匀减速3个过程。阀门启升总行程为7 m,启门时间为60 s(10 s匀加速、40 s匀速、10 s匀减速),匀速阶段启门速度为8.4 m/min。

图2 启门速度曲线

3 数值模拟模型建立及边界条件

3.1 模型建立及网格划分

为了保证阀门启闭负载特性的仿真精度,并适当提高仿真效率,需要对阀门模型进行简化,阀门实际模型见图3。

图3 阀门实际模型

模型主要简化方案为:①由于阀门工作时始终处于水中,且阀门孔尺寸较小,可将阀门内部水体简化为相对阀门静止,从而将其简化为实心平板门,去除阀门面板上的孔,按照实心平板门形式建模;②简化阀门底缘结构,去除沿水流方向的前后斜支撑板,调整面板厚度,简化部分局部结构;③去除阀门顶部与液压缸活塞杆连接的支架结构,去除顶部两侧孔板。阀门简化后的模型见图4。

图4 阀门简化模型

将简化后的模型划分为入口段、出口段和闸井段。进出口廊道的模型尺寸为:宽5.0 m,高6.5 m,闸前区域长4.7 m,闸后区域长6.47 m。闸井段模型尺寸为:高9.02 m,宽5.0 m。阀门宽5.26 m,门高6.9 m,最大厚度1.0 m。流体区域采用四面体单元进行初始网格划分。在阀门前后1m区域建立实体模型,进行网格划分,提高动网格区域的网格质量。网格单元尺寸设置为0.05 m。初始状态下网格总计约59万个(见图5)。

1.省水池入口段 2.闸门动网格区域 3.闸井段 4.闸室出口段图5 模型网格示意图

3.2 边界条件

南京水利科学研究院针对输水系统开展了缩比模型试验,并对输水廊道各处的压力变化进行了研究,测点布置见图6。以测点4的压力数据作为压力入口条件(输水廊道三级省水池侧),以测点46压力数据作为入口2(阀门井)压力入口条件,以测点7数据作为出口(输水廊道闸室侧)压力出口条件。各测点压力水头在动水启门60 s时间段的变化见图7。

图6 物理模型测点布置图

图7 动水启门60 s过程压力水头变化曲线

仿真模型中的动水启门边界条件根据相应测点的压力数据进行拟合后,以表达式的形式输入到Fluent软件中作为各处压力边界条件。

3.3 阀门单向流固耦合计算

针对不同时刻的流场提取阀门边界面上的压力分布结果,将其导入到阀门固体模型中进行仿真计算,得到相应时刻下的阀门受力情况。在实际物理模型中阀门通过吊杆施加启闭力,将阀门上端面设置为固定端,在设置的流固耦合面上加载来自流体的作用力,求解阀门等效应力。

3.4 数值计算方法

Fluent中紊流模型选择标准k-ε模型,重力加速度大小为9.8 g/cm2,方向竖直向下。设置参考大气压位置在自由水面处,并设置参考操作工质(密度为1.225 kg/m3)。流场与阀门界面设置单向流固耦合边界条件,壁面默认为无滑移边界条件。

选择基于压力求解器的瞬态计算方法,为保证计算的鲁棒性及收敛的稳定性,选择用于非稳态可压缩或不可压缩流体流场中求解压力速度耦合关系的coupled算法;采用二阶迎风格式动量方程。其余参数保持默认值,时间步长为0.05 s,计算1 800步,瞬态场每一时间步长的最大迭代次数为30。由于阀门底缘距离廊道底部有7 mm的开度,运动曲线设置滞后1 s,阀门开始向上启门,保证仿真时阀门运行状态尽可能与实际物理模型相似。

4 物理试验模型

采用某大型运河项目中省水船闸物理模型的试验资料对本项目的数值仿真模型进行验证。项目中各梯级枢纽船闸在设计时均采用省水布置型式,上游最大水位为63.64 m,下游最小水位为34.0 m,最大设计水头为29.64 m,常水头为27.30 m,最低通航水位为23.80 m。在船闸实际运行的过程中,省水池阀门为双面止水。在三级省水池向闸室充水时,最大水头为10.28 m,最小淹没深度为14.5 m。阀门进水口采取底缘前倾角为41°,后倾角为47°的平面阀门。阀门门宽5.26 m,门高6.965 m,门厚1.0 m。工作阀门的运行条件为动水启门,最大闭门速度为16.1 m/min,最大启门速度为8.1 m/min,启门时间60 s,闭门时间30 s,阀门双向运行,双面止水。根据水工模型试验中常用的弗劳德相似准则设计(即重力准则),物理模型进出水口及廊道系统的水工模型和工作阀门的几何比尺为13.35,时间比例尺为3.65,流量比例尺为651.18,压力比例尺为13.35。阀门运动曲线,阀门工作段几何边界情况,阀门前后廊道惯性换算长度,阀门前后水流阻力与实际工作相似,模型系统的阻力系数可调。

图8为考虑阀门摩擦力影响的数值模拟净动水(动水启门力与静水启门力之差)启门力。从图中可以看出,仿真得到的净动水启门力和试验测得的净动水启门力之间的变化规律和数值大小基本一致,数值仿真结果稍显滞后趋势,该数值模拟模型可以满足平板阀门启门过程的水动力特性分析。

图8 阀门净动水启门力数值模拟和物理试验结果

5 平板阀门启门过程的流场数值模拟

由于阀门重力的影响难以考虑,为排除门重影响,启门力试验结果以净动水启门力形式展示,即计算动水启门力减去静水启门力的差值。本仿真分析主要研究静水启门和动水启门过程阀门水力学特性。

5.1 静水启门过程

在静水启门的过程中,阀门受到垂直水流方向的作用力,在启门初始时增大至334 kN后基本保持不变(见图9)。主要原因为在启门过程中,出入口的水位差较小,水流流态较为稳定。虽然水流因为阀门启门运动存在扰动,但总体上水流流速较小。随着阀门开启进入阀门井之后,压力开始降低,在60 s时阀门垂直水流作用力降低至最小168.7 kN。

图9 阀门竖直方向水流力随时间变化曲线

阀门在进入阀门井区域时,即启门过程的45～60 s的时间段内,阀门顶部的压力变化较小,最大压力差为1 kPa;阀门底缘靠近上游一端受到的压力有明显下降,阀门底缘最小压力差为31.6 kPa,从而导致垂直方向水流力降低。

由于输水廊道与阀门井区域连接处宽度较小,廊道入口的水流流经连接处时,阀门面的阻挡使水流在阀门上游面板处受到流滞作用,导致连接缝隙处入口的静压力很大。当水流流过时,水流状态为高速射流状态,并且在阀门上游75 cm处,出现水流分离点。由于受阀门体的阻碍,水流在连接缝隙处产生了角涡,导致流场存在压力梯度分布。阀门下游半底缘附近变化规律类似,水流分离点和压力云图见图10。在物理模型中也出现了水流分离现象,且该现象比较剧烈,阀门上游段出现水气两相混合状态。

图10 阀门进入阀门井时水流速度矢量图

45 s时阀门底缘距离阀门井区域较远,输水廊道与阀门井连接区域的压力分布主要作用于阀门的两侧平面。在50 s左右,阀门底缘进入阀门井内,涡流作用区域延伸至阀门底缘区域,导致底缘受到的压力下降,并且随着阀门的进一步开启,涡流区域增大,导致阀门底缘压力下降区域持续增大,直至阀门上升至启门最大行程(见图11)。

图11 阀门底缘进入阀门井区域压力云图(45～50 s)

阀门顺水流方向静水启闭力变化曲线见图12。对于静水启门的过程,由于两侧水位一致,水流波动比较小。阀门运动会导致流场压力存在一些变化,使得阀门顺水流方向受力产生一定的震荡。在阀门启门过程中,由于阀门和阀门井区域之间存在较小间隙,水流通过时的流速比较大(最大流速为14.52 m/s),从而导致阀门顺水流方向受到的局部压力降低。

图12 静水启门阀门顺水流方向水流力

5.2 动水启门过程

阀门动水启门力仿真曲线见图13。动水启门垂直水流方向的受力在前10 s内迅速增加,到第2.5 s时达到最大值157.69 kN。随着阀门启门高度的增加,垂直方向水流力逐渐降低至零后反向持续增大,待阀门完全进入阀门井后再降至零。

图13 动水启门阀门水流力

在0～2.5 s期间,阀门启门过程中底缘压力云图见图14。0～0.05 s时,底缘压力有所增大;0.5～2.5 s时,底缘压力变化不明显。

图14 动水启门阀门底缘压力云图

图15为阀门顶部附近的速度云图。由于阀门在0.5～2.5 s启门过程中加速上升,且阀门入口侧压力较大,水流在通过狭小区域流向阀门井时,压力差较大,水流流速较快,导致阀门井狭小区域内的水流状态迅速发生变化,产生局部漩涡。阀门出口侧面板压力在启门初期较小,漩涡现象并未明显出现。由于阀门井区域出现漩涡并且持续存在,导致阀门顶部压力持续下降。

图15 动水启门阀门顶部速度矢量图(0.5 s)

综上所述,在顶部压力降低,以及底缘压力增大的相互作用下,阀门垂直水流方向在启门初期2.5 s内受到的垂直水流力快速增大。在启门的过程中,阀门受到的顺水流方向作用力主要由阀门前后两侧压力差引起(入口侧为靠近省水池侧,出口侧为靠近闸室侧)。启门过程中入口与出口侧最大压强曲线见图16。

图16 动水启门阀门出入口侧压力变化曲线

阀门前侧和后侧的压力由差异明显到逐渐接近。到50 s之后,阀门大部分进入到阀门井区域,阀门前后的压力相差较小,顺水流方向水作用力趋于零。阀门在0～50 s过程中的顺水流方向作用力变化由以下因素共同作用。

(1)阀门上游的省水池水位逐渐降低,使阀门前侧的受力减小。同时,阀门下游闸室的水位逐渐升高,使阀门后侧受到的水作用力增大。总的趋势是阀门在顺水流方向受到的水作用力逐渐减小。

(2)随着阀门逐渐上升,阀门底缘流过的水流速度增大,并且阀门井和输水廊道连接区域的速度也逐渐增大。随着流速的增大,阀门受到的顺水流方向水作用力减小。该因素对垂直水流方向作用力影响明显,而对顺水流方向作用力的影响较小。

(3)在阀门开启的前中期,阀门前后的旋涡不断变化,导致阀门前后的压力并非与水位同步变化,尤其是阀门下游面板附近漩涡导致压力降低明显,而上游面板附近漩涡并没有导致压力的明显下降。随着阀门开度增大至水柱区域时,旋涡影响逐渐减弱消失。

6 结语

以某运河快速启门平板阀门为研究对象,建立阀门启门过程的标准k-ε紊流模型,采用动网格技术处理动态边界,进行阀门启门水动力与载荷特性研究。主要研究结果如下。

(1)静水启门过程中,虽然阀门井连接处水流速度较快,存在局部压力梯度分布,导致在阀门底缘进入阀门井的过程中,上半底缘的压力下降。从仿真结果看,顺水流方向受力在0～100 kN的区间内变化,竖直水流力主要由阀门底缘和顶部的压力差引起,压力梯度现象对水流力影响并不明显,不会对启门力早餐较大影响。

(2)动水启门过程中,顺水流方向水流力从最大值慢慢减小。如果通过减小止水摩擦力来降低启门力,需要减小启门初期的顺水流方向的力,即减小启门时上下游的最大水位差。由阀门开启形成漩涡引起的水动力对顺水流方向水流力变化的影响则相对较小。

(3)动水启门工况下,阀门受力情况比静水情况下更为复杂,特别是阀门快速启门时垂直水流方向的载荷特性较为复杂。需要注意的是,启门初期阀门启门力快速上升时,液压系统提供的启门力能否满足正常启门要求。