周 迎，邓 欢，黄永艳

（1.山东省水利勘测设计院,山东 济南 250013；2.陕西瀚泰水利水电勘测设计有限公司,陕西 西安 710065）

1 前言

随着我国的工农业的迅速发展,当前很多灌区通过修建闸站合建枢纽进行更新改造以满足灌溉排水的需求。由于闸站合建枢纽设置在渠道的同一断面上,水流通过枢纽时,水闸和泵站各自单独运行,过水断面突缩和突扩,上下游水流很容易出现偏流、回流和横流等复杂流态,甚至会出现恶性漩涡,以上这些不良流态会对渠道内的水流产生不利影响,造成渠道冲刷和泥沙淤积等问题,对渠道的安全运行有很严重的影响[1-2]。为解决流场中存在的问题,需要在闸下渠道中布设整流措施对流场进行优化,目前整流的工程措施主要有底坎、导流墩和压水板等[3]。其中导流墩整流的主要原理是：通过合理的布置,水流通过导流墩时,沿布设方向扩散至整个流道,可以规范整个流道内水量的分布、改善水流流态和避免渠道边坡发生脱流[4],国内很多学者通过物理模型试验或数值模拟对导流墩做了大量研究并取得了成果[5-6]。本文针对某闸站合建枢纽中存在的水流通过闸门后偏居于渠道内的闸门侧,造成泵站侧形成较大的漩涡等问题,拟选双导流墩作为整流措施进行分流,采用数值模拟的方法对双导流墩的倾斜角进行优选,为同类工程提供参考。

2 计算模型及方案

2.1 模型建立

选取某闸站合建枢纽为研究对象,节制闸底板槛顶高程定为-0.50 m。启闭机工作桥布置在闸首中部,宽4.5 m,长16 m,平台高程13.0 m,启闭机室楼梯间布置在节制闸东岸。泵站为双向泵站,功能为排涝及从拦路港引水进行水资源调度。泵型为竖井式贯流泵,单泵流量10 m3/s,设计流量40 m3/s。水泵安装高程-1.15 m。泵站垂直水流方向总宽27.6 m,顺水流方向长29.0 m。采用GAMBIT进行建模,以闸门宽度为18 m为例,其模型见图1。

图1 闸站合建枢纽及渠道三维计算模型

2.2 网格剖分

在CFD进行求解时,对模型划分的网格质量和计算是否准确密切相关。网格单元数较多时,计算结果的准确性能得到保证,但是计算量大,计算时间长；网格单元数较少时,计算结果产生较大偏差。此外网格的类型包括结构化网格和非结构化网格,结构化网格计算精度较高但划分难度大,而非结构化网格几何适应性较好,网格划分简便,但计算精度较结构化网格有所降低。因此,在计算时应合理的选择网格的大小和类型。考虑闸站合建枢纽构造的复杂性较大,本文借助GAMBIT软件对闸站合建枢纽模型进行非结构化网格划分,在关键过流区域进行网格加密,经网格无关性分析确定网格单元数为300万。 图2为计算区域的网格剖分示意图。

图2 计算区域网格示意图

2.3 计算方案

在闸后渠道中设置导流墩来调整闸后的流态时,考虑到本文为闸站分侧布置,两个导流墩布设方向见图3。影响导流墩整流效果的因素很多,包括导流墩长度、 导流墩的夹角、相邻导流墩的间距、导流墩与泵闸分隔墙的垂直水流流向距离、顺水流方向导流墩墩头与泵闸隔墙的距离等因素。受文章篇幅所限,本文仅针对双导流墩夹角的优选进行介绍,将与导流墙距离近的导流墩记为墩A,设墩A与水平方向的夹角为1,另外一根导流墩记为墩B,设墩B与水平方向的夹角为2,见图3。由于墩A起到主要的分流作用,因此先假定墩B的倾斜夹角2不变,对墩A的倾斜角进行研究,将墩B的倾斜角2固定为10°,将墩A和水平方向的倾斜夹角1设为10°, 15°, 20°和25°并对每个角度下的流场进行数据计算并分析。当得到墩A与水平方向的最优夹角后使其固定不变,将墩B和水平方向的倾斜夹角 2设为-5°, 0°, 5°, 0°和13°并进行流场数值模拟计算分析,得出墩B的倾斜角度的最优取值范围。

图3 导流墩布设示意图

3 流态评价指标

对于闸站合建工程,水闸和泵站一般都是各自运行,当水闸运行进行引水排涝工作时,由于水闸布置在渠岸的一侧,过水断面面积减小,上游水流在泵站前逐渐收缩并向闸门侧集中,水流被挤压,原本顺直的水流流向出现弯曲；水流出闸后,右侧渠道突扩,在渠道的右侧很容易形成回流区,而且回流区的范围较大,严重的最大宽度甚至能占到渠道宽度的一半,回流区在泵站侧,很容易造成泥沙沉积在泵站前,对泵站的运行造成不利的影响。当水流的流量、闸门的宽度发生变化时,闸门对渠道水流的影响也会发生变化,引入动能修正系数ak来研究相同水位条件下流量和闸门宽度变化对渠道水流的影响。

ak可反映水流流速在渠道内的分布,当水流流速在渠道内一个断面上的分布越不平均,在这个断面上的值就越大,代表这个断面的水流越紊乱[7]。当水流流速在断面上分布越平均,ak在这个断面的值也就越小,趋近于1。水力学中对于正常稳定的渠道,其ak的取值一般为1.05～1.10,因此当水流流速计算的ak值变化不大,且接近于1.10左右时,即可判断水流流速在断面上较稳定,ak的计算大小取水文测验给出的经验公式计算[8]：

式中: vm为某一断面水流的最大速度,v为这一断面水流的平均速度,ε为断面的流速不均匀系数。

4 计算结果分析

4.1 墩A的倾角 1优选

将墩B倾斜角 2固定为10°,对墩A的倾斜角 1为10°, 15°, 20°和25°的模型分别进行数值计算,其流速分布见图4～图7。从图4 中可以看出,出闸主流通过墩A和墩B后被分为两股水流,从泵闸隔墙和墩A之间流道中经过的水流对泵站侧形成的回流区进行冲击,使得回流区影响范围缩短；通过左侧翼墙和墩B之间渠道的水流对渠道左侧岸坡形成的脱壁区进行冲击,使得水流脱壁现象几乎消失。由于两根导流墩将水流分成两股,故水流主要集中在渠道的两侧,因此在闸后80 m～120 m处的流道中间形成了一段小流速区域,对流场产生不利影响。

将图5 与图4 进行对比,可知随着墩A的倾斜角1的增加,泵站侧形成的回流区明显变小,回流区影响范围从闸后80 m缩短至闸后70 m处,而且渠道左侧岸坡处出现脱壁区的宽度也有了一定程度的减小,由于过闸水流被分成三部分,通过墩A和墩B中的水流对渠道中间的静水区进行了冲击,使得存在于渠道中间的死水区范围变小。

图4 墩A与水平方向的夹角为10°的流速分布图

由图6可以看出,当流速继续增大时,整个流场中水流的流速分布情况完全发生了紊乱,水流集中于一侧的现象更加集中,墩A的倾斜角1的继续增大并没有减小泵站侧形成的回流区,反而使得泵站侧回流区影响长度增大至闸后80 m处,而且造成左侧渠道岸坡水流脱壁范围的延长。由于墩A的倾斜角 1太大,造成墩后形成大范围的死水区,其宽度已经占到渠道宽度的一半多,水流几乎全被挤压至左侧渠道,水流流场直到闸后180 m处才趋于平顺,与图5 对比,水流经过墩A和墩B后流速分布不均匀的状况更加严重。

图5 墩A与水平方向夹角为15°的流速分布图

图6 墩A与水平方向的夹角为20°的流速分布图

由图7 可以看出,随着墩A角度的继续增加,泵站侧形成的回流区宽度逐渐减小,但是对回流区的长度变化没有太大影响,渠道左侧岸坡处的水流脱壁现象得到很好的改善；墩A倾斜角的继续增加使得通过墩A和墩B中间的水流方向发生突变,导致墩后的水流流速分布发生紊乱,形成折冲水流,会对渠道岸边形成冲刷,严重不利于渠道的运行安全。

图7 墩A夹角为25°的流速分布图

为验证墩A在不同角度下特征断面的动能变化,分别选取闸后80 m、130 m、180 m处的断面动能修正系数ak,并将其绘制成如图8 所示的折线图。从3 个不同断面的动能修正系数趋势图中可以看出,在导流墩的其它影响参数保持不变的前提下,随着墩A倾斜角度的增加,ak呈现先减小后增大的趋势,这是由于随着墩A角度的增加,导流墩的分流效果发挥明显,但是当墩A倾斜角过于大时,水流通过墩A后,流向发生大的突变,以至在渠道中间形成折冲水流,导致ak增加。结合流速分布图,当墩A倾斜角度为15°时,导流墩的整流效果最优,即减小了泵站侧形成的回流区面积,也减小了左侧渠道边坡的水流脱壁现象,同时调整了水流流速均匀性的分布。

图8 不同角度三个断面动能修正系数折线图

4.2 墩B的倾角 2优选

由4.1 研究可知,墩A的最优倾角 1为15°,因此固定墩A的倾角1为15°,将墩B和水平方向的倾斜夹角2设为-5°, 0°, 5°, 0°和13°并对每个角度下的流场进行数值计算,其流速分布如图9～图13。

由上图9可以看出墩B向左倾斜虽然减小了渠道左侧岸坡处水流脱壁区,但是对闸下水流流态恶化,水流通过两根导流墩的中间区域后,在墩A后的渠道中形成了大范围的低流速区域,水流主要被挤压至左侧渠道中,同时存在于中间渠道的低速区造成水流的流向发生偏折,严重影响了渠道中水流流速分布的均匀性,而且如果水流的含沙率高,死水区的存在会造成泥沙沉积于泵站侧的渠道中,影响泵站工作时的效率。

由图10 与图9 进行对比分析,我们可以看出,通过两根导流墩中间的水流流出后对墩A后形成的小流速区进行冲击,使得低流速区的范围减少,由闸后200 m缩短至闸后120 m左右,泵站侧形成的回流区也有了明显的减小,图10中的水流流态分布与图9 相比更加均匀。从图9 与图10 两个流速分布图的对比得出,布置墩B时应向泵站侧倾斜,才能达到良好的整流效果,否则不仅不会达到预期的效果,还会造成渠道内水流流态的紊乱。

图9 墩B倾斜角度为-5°的流速分布图

图10 墩B倾斜角度为0°的流速分布图

由图11 可以看出,墩B角度为5°时,流场内流速的分布比较均匀,虽然在通过墩A后形成了一个小面积的小流速区域,但是相比角度为-5°和0°的状况,小流速区域已经大大减小,而且通过小流速区域的水流流向平顺,未发生大角度的偏折。对比以上三种不同角度的流速分布图,发现随着墩B倾斜角度的增加,导流墩后渠道的流态得到了一定程度的改善,但是泵站侧形成的回流区没有明显变化,由此可以得出,对泵站侧形成的回流区起到主要影响的是墩A,墩B的作用主要是改善渠道水流的流态。

将图12 与图11 对比发现,渠道中流态的变化并不明显,但随着墩B的倾斜角度增加至10°时,通过墩B与翼墙之间的水流对墩A后形成的小流速区进行的冲击,使得墩A后的小流速区明显减小。由于墩B倾斜角度的增加,在墩B后的小流速区域范围增加,通过小流速区域的水流流向发生大的偏折。对比角度为5°和10°的两个流速分布图,水流流态并未发生大的改变,只是在墩B的角度增加时,墩B后小流速区范围会增大。

图11 墩B倾斜角度为5°的流速分布图

图12 墩B倾斜角度为10°的流速分布图

从图13 中可以看出,渠道中的流态由于墩B倾斜过大发生了流态紊乱现象,水流通过墩B时,墩B不仅没有起到导流的作用还阻碍了水流的正常流动,以至于在墩B后形成了大范围的低流速区域,同时低流速区域中出现了一定程度的回流现象。水流被分流成两股水流,分别存在于左侧渠道和右侧渠道。随着墩B的角度增大至13°,泵站侧回流区的影响范围不仅没有减小反而增加了,由以上分析可以看出,墩B的倾斜角度不能太大,否则将造成水流主要分布于渠道的两侧,而中间渠道的水流流速很小的不良流场分布。

图13 墩B倾斜角度为13°的流速分布图

同样采用动能修正系数的值对上面用流速分布图得到的结论进行验证,分别选取闸后80 m、130 m和180 m处的断面对墩B不同倾斜角 2下的流场计算值,将三个不同断面的ak值绘成如图14所示的折线图。从图中可以看出,在墩A和墩B其它影响流态的因素保持不变的前提下,随着墩B向泵站侧倾斜角度的增加,ak呈现先减小后增大的趋势,这是由于随着墩B角度的增加,通过墩B的水流对墩A后形成的小流速区域进行了冲击,使得墩A后的小流速区域范围减小,但是当墩B角度过于倾斜时,不仅达不到导流的作用,还会阻隔水流的正常流动,因此水流通过墩B后,水流的流向发生一定的弯折,而且会在墩B后的渠道中形成大范围的小流速区域,导致ak增加,影响渠道中的水流流态,不利于渠道的运行安全。对墩B进行布置时,墩B应向泵站侧倾斜,否则不仅达不到整流的效果,还会造成渠道内水流的紊乱。墩B倾斜角度可设置在0°和10°之间,通过对墩B角度为0°、5°、10°进行比较,发现角度为5°时导流墩的整流效果较好,即减小了泵站侧形成的回流区的范围,也调整了水流流速均匀性的分布,降低了动能修正系数ak的值。

图14 墩B不同角度下三个断面的ak折线图

5 结论

基于N-S方程和湍流模型对布置有闸站合建枢纽的渠道建立了三维数学模型,通过CFD数值模拟软件对整流措施双导流墩在不同倾斜角下流场进行模拟,通过分析速度场分布和渠道特征断面上的动能变化优选双导流墩的倾斜角。研究表明通过调整双导流墩的倾斜角,可以达到改善流态、消减回流区的目的。其中,与导流墙较近的导流墩的倾斜角取值范围应选择在10°～20°之间,15°时达到最优；与导流墙较远的导流墩的倾斜角取值范围应选择在5°～10°之间,5°时达到最优,否则会造成渠道中水流紊乱。