非對(duì)稱式閘站工程導(dǎo)流墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

溫國(guó)棟，溫洪海

(1.淮安市河海水利水電建筑安裝工程有限公司，江蘇 淮安 223001；2.江蘇淮源工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，江蘇 淮安 223001)

1 工程背景

某水閘主要由引水渠、前池、泵房以及排水閘等水工建筑物構(gòu)成(泵站平面圖如圖1所示)。水閘采用3臺(tái)套前置豎井式貫流泵，北向南依次編號(hào)為1#、2#和3#機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)流量為16.7m3/s，水閘泵站的設(shè)計(jì)流量為50m3/s，采用閘站并列設(shè)計(jì)方式，其中泵站布置在北側(cè)，排水閘布置在南側(cè)，為單孔凈寬6m的2孔排水閘。前池斜坡的坡長(zhǎng)為12.4m，坡度為1∶4，清污機(jī)橋的橋墩位于前池斜坡段上，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為6.5m。在水閘運(yùn)行時(shí)，引水水流通過前池前的L型引水渠進(jìn)入前池，前池中的水流通過斜坡段進(jìn)入泵站的進(jìn)水流道，在上游水位較高時(shí)，水流可以在水位差的作用下由前池自排進(jìn)入排水閘。由于水閘為平面不對(duì)稱設(shè)計(jì)，在泵站和排水閘單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，來(lái)水水流與泵站或排水閘的中心線之間存在一定的夾角，從而造成水流流態(tài)比較復(fù)雜[1- 3]。因此，在泵站和排水閘之間設(shè)計(jì)高3.5m，厚1.2m的導(dǎo)流墩，以改善前池流態(tài)，保證水閘的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 某泵站原方案設(shè)計(jì)平面圖

2 計(jì)算模型的構(gòu)建

2.1 計(jì)算區(qū)域

研究中利用GAMBIT三維有限元軟件進(jìn)行三維實(shí)體造型[4]，結(jié)合泵站樞紐的具體設(shè)計(jì)參數(shù)，確定如下計(jì)算區(qū)域：數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域?yàn)楸谜镜囊M(jìn)口至水泵葉輪室，主要由引水渠、前池、進(jìn)水流道和排水閘四部分組成，三臺(tái)機(jī)組的對(duì)應(yīng)進(jìn)水流道由北向南依次編號(hào)為1#、2#和3#進(jìn)水流道，排水閘的計(jì)算范圍取到工作閘門部位。由于研究對(duì)象十分復(fù)雜，因此采用分塊剖分的方式進(jìn)行實(shí)體模型的網(wǎng)格剖分，以便對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行加密處理，其中普通區(qū)域采用六面體網(wǎng)格剖分，前池部分進(jìn)行加密并采取適應(yīng)性更強(qiáng)的網(wǎng)格四面體剖分[5]。最終獲得1805640個(gè)計(jì)算網(wǎng)格單元，2024560個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 分析模型示意圖

2.2 邊界條件

將模型的計(jì)算進(jìn)口邊界設(shè)定為引水渠的進(jìn)口斷面，并認(rèn)為該部位的來(lái)水為均勻流，因此采取速度進(jìn)口邊界條件；由于出口斷面的流速方向不定，計(jì)算中將進(jìn)水流道的出口端面進(jìn)行法向等直徑延長(zhǎng)，并認(rèn)為出口部位為可以充分發(fā)展的流動(dòng)，因此設(shè)計(jì)為自由出流邊界；計(jì)算模型中四個(gè)部位的邊墻和底部設(shè)定為固壁條件，利用固壁對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行處理[6- 8]；計(jì)算模型的上表面為自由水面。

2.3 求解方法

本次研究中采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型進(jìn)行前池?cái)?shù)值模擬計(jì)算[9]。為了達(dá)到預(yù)期精度，計(jì)算過程中采用二階迎風(fēng)式求解，利用SIMPLEC算法進(jìn)行模型的壓力和速度耦合計(jì)算，利用體積有限法實(shí)現(xiàn)積分形式方程組到代數(shù)方程組的轉(zhuǎn)化。計(jì)算中的收斂情況利用殘差監(jiān)視圖實(shí)現(xiàn)，收斂精度設(shè)定為10-7。

2.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析

在三維有限元模型計(jì)算過程中，網(wǎng)格劃分對(duì)模型的計(jì)算結(jié)果影響較大[10- 15]。顯然，增加網(wǎng)格數(shù)量有助于提升計(jì)算精度，但是計(jì)算量也會(huì)隨之增大，同時(shí)計(jì)算時(shí)間的延長(zhǎng)也會(huì)增大運(yùn)算誤差。因此，選擇合適的網(wǎng)格數(shù)量十分重要，為此，需要對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析。對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行不同單元數(shù)剖分，形成5個(gè)不同方案，并分別進(jìn)行前置流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果繪制出如圖3所示的流速均勻分布度與不同單元剖分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線。由圖3可知，流速均勻分布度隨網(wǎng)格數(shù)增加逐漸收斂，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為180萬(wàn)個(gè)左右時(shí)，基本收斂完成，表明本文網(wǎng)格剖分?jǐn)?shù)是合理的。

圖3 流速均勻分布度與不同單元剖分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線

3 導(dǎo)流墩體型優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 導(dǎo)流墩長(zhǎng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了獲得導(dǎo)流墩的最優(yōu)長(zhǎng)度，研究中擬定四種不同方案，導(dǎo)流墩長(zhǎng)度分別為10m、15m、20m和25m，各方案下導(dǎo)流墩的高度均為3.5m，厚度均為1.2m。

利用上節(jié)構(gòu)建的三維數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)上述不同方案條件下的流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。結(jié)果顯示，在方案1條件下，水閘前池水流的面層和中間流速較大，底部和兩側(cè)流速較小。導(dǎo)流墩的右側(cè)水流形成回旋區(qū)，該處水流繞流導(dǎo)流墩后進(jìn)入前池；導(dǎo)流墩的左側(cè)也發(fā)生變形并形成回旋區(qū)，由于導(dǎo)流墩的存在導(dǎo)致橫向流速分布不均，漩渦綜合影響函數(shù)值為6.85。在方案2條件下，由于導(dǎo)流墩長(zhǎng)度增至15m，回旋區(qū)的范圍變化不大，但是回旋區(qū)向6#流道外移動(dòng)，且漩渦綜合影響函數(shù)值為6.51，小于方案1。在方案3條件下，導(dǎo)流墩長(zhǎng)度為25m，回旋區(qū)的范圍進(jìn)一步向外則移動(dòng)，但是范圍從方案1和方案2的6#流道擴(kuò)展至4～5#流道，影響范圍明顯增大，這不僅造成4#、5#流道水流紊動(dòng)，漩渦綜合影響函數(shù)值也增至56.74。在方案4條件下，回旋區(qū)范圍有進(jìn)一步增大，但是增加幅度有限，漩渦綜合影響函數(shù)值也增大至58.97。

為了進(jìn)一步對(duì)前池水流對(duì)進(jìn)水流道流速的影響進(jìn)行定量分析，研究中對(duì)六個(gè)進(jìn)水流道進(jìn)口斷面的軸向速度分布均勻度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1。由表1可知，由于回流區(qū)外移，方案2相比于方案1，6#流道進(jìn)口斷面流速分布均勻度有所提高。對(duì)于方案3和方案4，6#流道進(jìn)口斷面流速分布均勻度雖然也有所提高，但是4#和5#流道進(jìn)口斷面流速分布均勻度下降明顯，與方案2相比流速均勻度表現(xiàn)更差。綜合上述分析，在方案2條件下，也就是導(dǎo)流墩的長(zhǎng)度為15m時(shí)，前池流態(tài)最佳，漩渦綜合影響函數(shù)值最小，流速分布更均勻。

表1 方案1- 方案4進(jìn)水流道斷面軸向速度分布均勻度 單位：%

3.2 導(dǎo)流墩開口參數(shù)設(shè)計(jì)研究

通過上節(jié)分析，將導(dǎo)流墩長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為15m可以顯著改善前池流態(tài)，但是導(dǎo)流墩附近的水流回旋區(qū)仍舊存在。因此，本節(jié)在設(shè)定導(dǎo)流墩長(zhǎng)度為15m的基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)流墩進(jìn)行開孔設(shè)計(jì)，并在池前加設(shè)短隔墩。通過對(duì)水流方向和流量分配的調(diào)節(jié)，達(dá)到改善前池流態(tài)的目標(biāo)。其中，導(dǎo)流墩開孔結(jié)構(gòu)如圖4所示。導(dǎo)流墩開孔的主要參數(shù)包括寬度B以及孔高H，由于兩者之間相互影響不大，因此采取單因素遞進(jìn)分析法進(jìn)行優(yōu)選研究。

圖4 導(dǎo)流墩開口示意圖及幾何參數(shù)

結(jié)合相關(guān)研究結(jié)論和某水閘的工程實(shí)際，確定孔口寬B的不同取值，擬定方案5—方案8四種不同方案，其對(duì)應(yīng)的孔口寬B分別為1.0m、2.0m、3.0m和4.0m，孔高H為3.6m不變。從水流流態(tài)上來(lái)看，上述四個(gè)方案導(dǎo)流墩開孔部位水流重新分布，回流區(qū)明顯減小，并且向5#流道前移動(dòng)，當(dāng)孔寬達(dá)到4.5m時(shí)回流區(qū)范圍基本保持不變。此外，漩渦綜合影響函數(shù)值也有所降低，四種方案下的漩渦綜合影響函數(shù)值分別為5.96、2.19、0.36和0.37，對(duì)上述四種方案下的各個(gè)流道進(jìn)口斷面的流速均勻度進(jìn)行計(jì)算，獲得如表2所示的結(jié)果。由表2可以看出，在孔寬小于3.0m時(shí)，隨著孔寬的增加，6#進(jìn)水流道流速分布均勻度明顯提升，其余流道的流速分布均勻度也有所提升，但是變化幅度不大。當(dāng)孔寬大于3.0m時(shí)，1#和5#流道有所下降，其余流道基本不變。綜上所述，在方案7條件下，也就是孔寬為3.0m時(shí)，對(duì)前池流態(tài)的改善作用最大。

表2 方案5- 方案8進(jìn)水流道斷面軸向速度分布均勻度 單位：%

結(jié)合相關(guān)研究結(jié)論和該水閘的工程實(shí)際，在孔口寬B為3.0m不變的條件下，改變孔高H的值，擬定出方案9—方案13，其對(duì)應(yīng)的孔高H的值分別為0.5m、0.9m、1.3m、1.7m和2.1m。從上述五個(gè)方案的流態(tài)來(lái)看，當(dāng)孔高H小于1.7m時(shí)，導(dǎo)流墩附近的回流區(qū)進(jìn)一步減小，而孔高H大于1.7m時(shí)，回流區(qū)范圍基本不變。從漩渦綜合影響函數(shù)值的變化來(lái)看，當(dāng)孔高H小于1.7m時(shí)，漩渦綜合影響函數(shù)值迅速減小，且在孔高H為1.7m時(shí)達(dá)到最小值0.12。當(dāng)孔高H大于1.7m時(shí)，漩渦綜合影響函數(shù)值又有所增大。對(duì)上述五種方案下的各個(gè)流道進(jìn)口斷面的流速均勻度進(jìn)行計(jì)算，獲得如表3所示的結(jié)果。從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，在孔高小于1.7m時(shí)，隨著孔寬的增加，6#進(jìn)水流道流速分布均勻度明顯提升，其余流道的流速分布均勻度也有所提升，但是變化幅度不大。當(dāng)孔寬大于1.7m時(shí)，該流道流速分布均勻度有所下降，其余流道基本不變。綜上所述，在方案12條件下，也就是孔寬為1.7m時(shí)，對(duì)前池流態(tài)的改善作用最大。

表3 方案9- 方案13進(jìn)水流道斷面軸向速度分布均勻度 單位：%

4 結(jié)論

利用數(shù)值模擬方法對(duì)非對(duì)稱式閘站導(dǎo)流墩體型優(yōu)化問題展開對(duì)比分析并獲得如下結(jié)論：當(dāng)導(dǎo)流墩長(zhǎng)度為15m，開孔寬度為3.0m，開孔高度為1.7m時(shí)，前池流態(tài)最好，此時(shí)的渦旋綜合影響函數(shù)值最小，且6#流道流態(tài)顯著改善，雖然導(dǎo)流墩右側(cè)仍舊存在一定范圍的回流區(qū)，但是回流區(qū)范圍大幅減小，強(qiáng)度極弱，不會(huì)對(duì)工程運(yùn)行造成不利影響，故建議在工程設(shè)計(jì)中采用。