基于FLUENT软件的拦河闸水力特性数值模拟

(辽宁省东港市友谊灌区管理处，辽宁 东港 118300)

拦河闸主要用来调节上游水位和控制下泄水流流量，当发生洪水时，一方面可以通过开闸泄洪，保证上游洪水位低于防洪水位，另一方面可以调节下泄流量，使下泄流量低于下游河道的安全泄量[1]，从而实现航运、灌溉、发电引水、城镇供水排淤泄沙、水沙平衡的目的。拦河闸主要设置在河道顺直、河床稳定的河段，可以保证水流平顺，单宽流量均匀，尽可能缩短闸下消能防冲设施长度[1-4]。

1 工程概况

某拦河闸坐落于辽宁省境内，主要以拦漂为主，同时兼顾交通功能，该工程为综合利用的水利工程，工程等级为Ⅱ等。工程主要设施包括拦河闸、船闸、电站、道路和码头等。永久性主要建筑物级别为2级；次要建筑物级别为3级；船闸导航墙、码头挡土墙级别为3级。设计洪水重现期为100 a(P=1%)，校核洪水重现期为1 000 a(P=0.1%)。拦河闸、船闸及电站工程安全使用年限为100 a，闸门安全使用年限为50 a，码头工程、清漂工作平台工程及道路工程安全使用年限为50 a。拦河闸设18孔，拦河闸孔宽为12 m，1孔溢流闸，平板闸门高14 m，圆弧形中墩宽3 m，闸底板高程 286.5 m。中部溢流闸宽12 m，闸墩宽3 m，闸门分7节，总高14 m，正常蓄水位301.14 m。船闸总宽24 m，电站总宽60.4 m。左右岸岸坡与船闸坝段及电站坝段的连接采用挡水坝连接的方式。工程整体平面见图1，拦河闸尺寸见图2。

2 FLUENT软件

FLUENT软件主要用于二维、三维流体物质分析，能够导入多类型的CAD软件三维模型和多种CAE网络模型，实现内存分配的动态化。FLUENT软件核心思想是将研究区域全部数据导入控制方程，通过计算研究区域内的流体方程，完成计算区域内所有物理量的求解。FLUENT软件需要依靠Autocad、ICEM(Integrated Computational Engineering and Manufacturing)软件进行前处理。结构网格划分或非结构网格划分都需要借助ICEM软件，首先在Autocad中建立拦河闸数值模型，随后将CAD图形导入ICEM中进行下一步的结构网格划分，操作步骤见图3。FLUENT软件后期处理借助CFD-POST软件，该软件可以显示关键部位物理量，如速度、压力、温度等；同时，用户还可以自定义研究区域，最终以矢量图、云图、曲线、XY散粒图、等值线图等方式显示出数据结论[5]。求解流程见图4。

图1 工程整体平面(单位：m)

图2 拦河闸尺寸 (单位: mm)

图3 ICEM 划分网格步骤

3 拦河闸数值模拟研究

3.1 数学模型建立

首先利用CAD软件绘制拦河闸的三维模型，边界为对称边界。拦河闸的三维模拟区域范围为：X方向从上游水库桩号0-046.00断面至0+132.80断面；Z方向上游和下游均为15 m，在拦河闸段为12 m；Y方向上下游水深方向分别为283～312.27 m、280～312.27 m。研究区域内的下游高程为280 m，结构网格的划分借助ICEM-CFD软件生成，计算区域的网格划分见图5，ICEM 网格质量检测见图6。模型中选择多相流模型，设置水和空气两种材料[6-8]。

图6 ICEM 中网格质量检测

3.2 边界条件设置

进口处空气项采用压力入口模块，水流项采用速度入口模块，初始水流速度为泄流量与断面面积的乘积。水力直径为 21.2 m，除侧壁边界设置为对称边界，其余边界都设置为单独边界。出口设压力出口, 回流湍流强度设为6%，回流水力直径设为17.7 m，自有面水平为290.84 m，底部边界水平为280 m。拦河闸表面粗糙率为 0.014，壁面边界条件糙率设为0.014。

4 数值模拟结果

4.1 泄流能力

泄流能力的大小关乎着拦河闸是否能够发挥出灌溉、引水、冲沙的最大效能，流量系数是影响泄流能力的重要参数，主要受边界条件和初始泄流条件影响。拦河闸为宽顶堰，其流量系数可根据下游200 m水位流量关系进行确定。宽顶堰流公式为

(1)

式中，m为流量系数；b为堰宽，m;H为堰上水头，m；n为实测流量系数。

基于FLUENT软件,借助单孔对模型中19孔正常蓄水位下的泄流能力进行了模拟，当模型流量稳定后利用软件提取流量值，实测值与模拟值对比结果见表1。当以进出口流量差值小于5%作为收敛标准时，模型结果比实测值高 2.97%，小于收敛标准。

表1 流量实测与模拟对比

4.2 沿程水面高程

通过FLUENT软件计算150 s后，计算趋于稳定。当FLUENT软件运行150 s后模型系统达到稳定状态，液体流动的水面线用运行频率VOF=0.5的水汽交界面作为标准。表2列出了中孔中线当z=0时实测和数值模拟水面高程的具体数值，由正常蓄水位模拟值和实测值对比可知两者是非常接近的，表明模拟结果比较可靠。

表2 中孔中线z=0位置处水面高程对比 m

图7 正常蓄水位模拟值和实测值对比

由图7可知，在拦河闸水流进口处有显著的水跌现象产生，而在下泄段，挑流出口水面高程有一个较小的升高值，随后下游水面趋于平稳。观察可知，拦河闸的控制下水流流态整体较平顺，流态较好。试验值和模拟值之间的差值小，两者状态较吻合。

4.3 流 速

流速反映水流动能大小是消能设施建立与避免空化空蚀的重要参考依据，流速大小影响拦河闸的消能防冲效应以及引水输沙作用发挥。流速过大，挑流出口处压强低于汽化压强，将产生气泡，带有气泡的流水移动到高压区时：①可能会发生空蚀；②水流与下游河床接触时的下切速度将过大，导致下游消能防冲受到严重冲刷。流速若小于不淤流速，将会导致引水过程中沙土沉积，严重影响引水排沙效能。分析可知，为同时发挥引水排沙效能并降低消能防冲设施压力，流速要介于推移质的起动流速与不冲流速。各断面流速模拟值和实测值对比见表3，各断面流速见图8。分析可知，实测流速与理论模拟流速相差不大，在25 m位置处出现了最高流速17 m/s。

表3 各桩位流速对比

图8 各断面流速

分析可知，进口流量不变的状况下，拦河闸进口处水流流速最小，随着侧收缩的影响，水面高程降低后，水流流速显著增加，特别是水流流经斜坡下泄时，流速变得更大，流速在挑坎附近处达到了最大值。在水流下游处，随着下游水面升高，流速降低。

4.4 压 强

当水闸存在流水过流时，鉴于坝面存在不平整状况，会使得过流面产生负压，进而产生空化空蚀现象。水流通过拦河闸后势必会发生水头损失，导致沿程总能量的降低。若流速增大时，如果位置水头固定或变化很小，压强水头也呈现减小趋势。此时水流的过流面将产生负压，负压很大时将产生严重的空化空蚀现象。为了增加拦河闸的过流能力，一些拦河闸将溢流面设计成负压面。若流体内质点相对静止，质点之间无相对运动，此时认为流体内没有切应力，故流体的压强作用方式可以直接表征静止液体之间的相互作用关系，压强模拟值和实测值对比见表4，压强水头对比值见图9。分析可知，压强模拟值和实测值的误差范围介于 0.49～-0.19 Pa，实测压强水头值、压强值与模拟值相差不大，表明模拟数据较为真实地反映了现场情况。

表4 压强模拟值和实测值对比

图9 压强水头对比值

5 结 论

流量稳定后，模型计算结果比实测值大 2.97%，小于5%的收敛标准。在拦河闸水流进口处有显著的水跌现象产生，而在下泄段，挑流出口水面高程有一个较小的升高值，随后下游水面趋于平稳。试验值和模拟值之间的差值小。实测流速与理论模拟流速之间相差均不大，最高流速(17 m/s)出现在25 m处，在水流下游处，随着下游水面升高，流速降低。压强模拟值和实测值的误差范围介于0.49～-0.19 Pa，实测压强水头值、压强值与模拟值相差不大。模拟数据较为真实地反映了实际结果，验证了FLUENT软件模拟在拦河闸水力特性研究上的可行性。