雙導流墩偏斜角度對閘站合建樞紐渠道流場優(yōu)化研究

周 迎，鄧 歡，黃永艷

（1.山東省水利勘測設計院,山東 濟南 250013；2.陜西瀚泰水利水電勘測設計有限公司,陜西 西安 710065）

1 前言

隨著我國的工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展,當前很多灌區(qū)通過修建閘站合建樞紐進行更新改造以滿足灌溉排水的需求。由于閘站合建樞紐設置在渠道的同一斷面上,水流通過樞紐時,水閘和泵站各自單獨運行,過水斷面突縮和突擴,上下游水流很容易出現(xiàn)偏流、回流和橫流等復雜流態(tài),甚至會出現(xiàn)惡性漩渦,以上這些不良流態(tài)會對渠道內(nèi)的水流產(chǎn)生不利影響,造成渠道沖刷和泥沙淤積等問題,對渠道的安全運行有很嚴重的影響[1-2]。為解決流場中存在的問題,需要在閘下渠道中布設整流措施對流場進行優(yōu)化,目前整流的工程措施主要有底坎、導流墩和壓水板等[3]。其中導流墩整流的主要原理是：通過合理的布置,水流通過導流墩時,沿布設方向擴散至整個流道,可以規(guī)范整個流道內(nèi)水量的分布、改善水流流態(tài)和避免渠道邊坡發(fā)生脫流[4],國內(nèi)很多學者通過物理模型試驗或數(shù)值模擬對導流墩做了大量研究并取得了成果[5-6]。本文針對某閘站合建樞紐中存在的水流通過閘門后偏居于渠道內(nèi)的閘門側,造成泵站側形成較大的漩渦等問題,擬選雙導流墩作為整流措施進行分流,采用數(shù)值模擬的方法對雙導流墩的傾斜角進行優(yōu)選,為同類工程提供參考。

2 計算模型及方案

2.1 模型建立

選取某閘站合建樞紐為研究對象,節(jié)制閘底板檻頂高程定為-0.50 m。啟閉機工作橋布置在閘首中部,寬4.5 m,長16 m,平臺高程13.0 m,啟閉機室樓梯間布置在節(jié)制閘東岸。泵站為雙向泵站,功能為排澇及從攔路港引水進行水資源調(diào)度。泵型為豎井式貫流泵,單泵流量10 m3/s,設計流量40 m3/s。水泵安裝高程-1.15 m。泵站垂直水流方向總寬27.6 m,順水流方向長29.0 m。采用GAMBIT進行建模,以閘門寬度為18 m為例,其模型見圖1。

圖1 閘站合建樞紐及渠道三維計算模型

2.2 網(wǎng)格剖分

在CFD進行求解時,對模型劃分的網(wǎng)格質(zhì)量和計算是否準確密切相關。網(wǎng)格單元數(shù)較多時,計算結果的準確性能得到保證,但是計算量大,計算時間長；網(wǎng)格單元數(shù)較少時,計算結果產(chǎn)生較大偏差。此外網(wǎng)格的類型包括結構化網(wǎng)格和非結構化網(wǎng)格,結構化網(wǎng)格計算精度較高但劃分難度大,而非結構化網(wǎng)格幾何適應性較好,網(wǎng)格劃分簡便,但計算精度較結構化網(wǎng)格有所降低。因此,在計算時應合理的選擇網(wǎng)格的大小和類型。考慮閘站合建樞紐構造的復雜性較大,本文借助GAMBIT軟件對閘站合建樞紐模型進行非結構化網(wǎng)格劃分,在關鍵過流區(qū)域進行網(wǎng)格加密,經(jīng)網(wǎng)格無關性分析確定網(wǎng)格單元數(shù)為300萬。 圖2為計算區(qū)域的網(wǎng)格剖分示意圖。

圖2 計算區(qū)域網(wǎng)格示意圖

2.3 計算方案

在閘后渠道中設置導流墩來調(diào)整閘后的流態(tài)時,考慮到本文為閘站分側布置,兩個導流墩布設方向見圖3。影響導流墩整流效果的因素很多,包括導流墩長度、 導流墩的夾角、相鄰導流墩的間距、導流墩與泵閘分隔墻的垂直水流流向距離、順水流方向?qū)Я鞫斩疹^與泵閘隔墻的距離等因素。受文章篇幅所限,本文僅針對雙導流墩夾角的優(yōu)選進行介紹,將與導流墻距離近的導流墩記為墩A,設墩A與水平方向的夾角為1,另外一根導流墩記為墩B,設墩B與水平方向的夾角為2,見圖3。由于墩A起到主要的分流作用,因此先假定墩B的傾斜夾角2不變,對墩A的傾斜角進行研究,將墩B的傾斜角2固定為10°,將墩A和水平方向的傾斜夾角1設為10°, 15°, 20°和25°并對每個角度下的流場進行數(shù)據(jù)計算并分析。當?shù)玫蕉誂與水平方向的最優(yōu)夾角后使其固定不變,將墩B和水平方向的傾斜夾角 2設為-5°, 0°, 5°, 0°和13°并進行流場數(shù)值模擬計算分析,得出墩B的傾斜角度的最優(yōu)取值范圍。

圖3 導流墩布設示意圖

3 流態(tài)評價指標

對于閘站合建工程,水閘和泵站一般都是各自運行,當水閘運行進行引水排澇工作時,由于水閘布置在渠岸的一側,過水斷面面積減小,上游水流在泵站前逐漸收縮并向閘門側集中,水流被擠壓,原本順直的水流流向出現(xiàn)彎曲；水流出閘后,右側渠道突擴,在渠道的右側很容易形成回流區(qū),而且回流區(qū)的范圍較大,嚴重的最大寬度甚至能占到渠道寬度的一半,回流區(qū)在泵站側,很容易造成泥沙沉積在泵站前,對泵站的運行造成不利的影響。當水流的流量、閘門的寬度發(fā)生變化時,閘門對渠道水流的影響也會發(fā)生變化,引入動能修正系數(shù)ak來研究相同水位條件下流量和閘門寬度變化對渠道水流的影響。

ak可反映水流流速在渠道內(nèi)的分布,當水流流速在渠道內(nèi)一個斷面上的分布越不平均,在這個斷面上的值就越大,代表這個斷面的水流越紊亂[7]。當水流流速在斷面上分布越平均,ak在這個斷面的值也就越小,趨近于1。水力學中對于正常穩(wěn)定的渠道,其ak的取值一般為1.05～1.10,因此當水流流速計算的ak值變化不大,且接近于1.10左右時,即可判斷水流流速在斷面上較穩(wěn)定,ak的計算大小取水文測驗給出的經(jīng)驗公式計算[8]：

式中: vm為某一斷面水流的最大速度,v為這一斷面水流的平均速度,ε為斷面的流速不均勻系數(shù)。

4 計算結果分析

4.1 墩A的傾角 1優(yōu)選

將墩B傾斜角 2固定為10°,對墩A的傾斜角 1為10°, 15°, 20°和25°的模型分別進行數(shù)值計算,其流速分布見圖4～圖7。從圖4 中可以看出,出閘主流通過墩A和墩B后被分為兩股水流,從泵閘隔墻和墩A之間流道中經(jīng)過的水流對泵站側形成的回流區(qū)進行沖擊,使得回流區(qū)影響范圍縮短；通過左側翼墻和墩B之間渠道的水流對渠道左側岸坡形成的脫壁區(qū)進行沖擊,使得水流脫壁現(xiàn)象幾乎消失。由于兩根導流墩將水流分成兩股,故水流主要集中在渠道的兩側,因此在閘后80 m～120 m處的流道中間形成了一段小流速區(qū)域,對流場產(chǎn)生不利影響。

將圖5 與圖4 進行對比,可知隨著墩A的傾斜角1的增加,泵站側形成的回流區(qū)明顯變小,回流區(qū)影響范圍從閘后80 m縮短至閘后70 m處,而且渠道左側岸坡處出現(xiàn)脫壁區(qū)的寬度也有了一定程度的減小,由于過閘水流被分成三部分,通過墩A和墩B中的水流對渠道中間的靜水區(qū)進行了沖擊,使得存在于渠道中間的死水區(qū)范圍變小。

圖4 墩A與水平方向的夾角為10°的流速分布圖

由圖6可以看出,當流速繼續(xù)增大時,整個流場中水流的流速分布情況完全發(fā)生了紊亂,水流集中于一側的現(xiàn)象更加集中,墩A的傾斜角1的繼續(xù)增大并沒有減小泵站側形成的回流區(qū),反而使得泵站側回流區(qū)影響長度增大至閘后80 m處,而且造成左側渠道岸坡水流脫壁范圍的延長。由于墩A的傾斜角 1太大,造成墩后形成大范圍的死水區(qū),其寬度已經(jīng)占到渠道寬度的一半多,水流幾乎全被擠壓至左側渠道,水流流場直到閘后180 m處才趨于平順,與圖5 對比,水流經(jīng)過墩A和墩B后流速分布不均勻的狀況更加嚴重。

圖5 墩A與水平方向夾角為15°的流速分布圖

圖6 墩A與水平方向的夾角為20°的流速分布圖

由圖7 可以看出,隨著墩A角度的繼續(xù)增加,泵站側形成的回流區(qū)寬度逐漸減小,但是對回流區(qū)的長度變化沒有太大影響,渠道左側岸坡處的水流脫壁現(xiàn)象得到很好的改善；墩A傾斜角的繼續(xù)增加使得通過墩A和墩B中間的水流方向發(fā)生突變,導致墩后的水流流速分布發(fā)生紊亂,形成折沖水流,會對渠道岸邊形成沖刷,嚴重不利于渠道的運行安全。

圖7 墩A夾角為25°的流速分布圖

為驗證墩A在不同角度下特征斷面的動能變化,分別選取閘后80 m、130 m、180 m處的斷面動能修正系數(shù)ak,并將其繪制成如圖8 所示的折線圖。從3 個不同斷面的動能修正系數(shù)趨勢圖中可以看出,在導流墩的其它影響參數(shù)保持不變的前提下,隨著墩A傾斜角度的增加,ak呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,這是由于隨著墩A角度的增加,導流墩的分流效果發(fā)揮明顯,但是當墩A傾斜角過于大時,水流通過墩A后,流向發(fā)生大的突變,以至在渠道中間形成折沖水流,導致ak增加。結合流速分布圖,當墩A傾斜角度為15°時,導流墩的整流效果最優(yōu),即減小了泵站側形成的回流區(qū)面積,也減小了左側渠道邊坡的水流脫壁現(xiàn)象,同時調(diào)整了水流流速均勻性的分布。

圖8 不同角度三個斷面動能修正系數(shù)折線圖

4.2 墩B的傾角 2優(yōu)選

由4.1 研究可知,墩A的最優(yōu)傾角 1為15°,因此固定墩A的傾角1為15°,將墩B和水平方向的傾斜夾角2設為-5°, 0°, 5°, 0°和13°并對每個角度下的流場進行數(shù)值計算,其流速分布如圖9～圖13。

由上圖9可以看出墩B向左傾斜雖然減小了渠道左側岸坡處水流脫壁區(qū),但是對閘下水流流態(tài)惡化,水流通過兩根導流墩的中間區(qū)域后,在墩A后的渠道中形成了大范圍的低流速區(qū)域,水流主要被擠壓至左側渠道中,同時存在于中間渠道的低速區(qū)造成水流的流向發(fā)生偏折,嚴重影響了渠道中水流流速分布的均勻性,而且如果水流的含沙率高,死水區(qū)的存在會造成泥沙沉積于泵站側的渠道中,影響泵站工作時的效率。

由圖10 與圖9 進行對比分析,我們可以看出,通過兩根導流墩中間的水流流出后對墩A后形成的小流速區(qū)進行沖擊,使得低流速區(qū)的范圍減少,由閘后200 m縮短至閘后120 m左右,泵站側形成的回流區(qū)也有了明顯的減小,圖10中的水流流態(tài)分布與圖9 相比更加均勻。從圖9 與圖10 兩個流速分布圖的對比得出,布置墩B時應向泵站側傾斜,才能達到良好的整流效果,否則不僅不會達到預期的效果,還會造成渠道內(nèi)水流流態(tài)的紊亂。

圖9 墩B傾斜角度為-5°的流速分布圖

圖10 墩B傾斜角度為0°的流速分布圖

由圖11 可以看出,墩B角度為5°時,流場內(nèi)流速的分布比較均勻,雖然在通過墩A后形成了一個小面積的小流速區(qū)域,但是相比角度為-5°和0°的狀況,小流速區(qū)域已經(jīng)大大減小,而且通過小流速區(qū)域的水流流向平順,未發(fā)生大角度的偏折。對比以上三種不同角度的流速分布圖,發(fā)現(xiàn)隨著墩B傾斜角度的增加,導流墩后渠道的流態(tài)得到了一定程度的改善,但是泵站側形成的回流區(qū)沒有明顯變化,由此可以得出,對泵站側形成的回流區(qū)起到主要影響的是墩A,墩B的作用主要是改善渠道水流的流態(tài)。

將圖12 與圖11 對比發(fā)現(xiàn),渠道中流態(tài)的變化并不明顯,但隨著墩B的傾斜角度增加至10°時,通過墩B與翼墻之間的水流對墩A后形成的小流速區(qū)進行的沖擊,使得墩A后的小流速區(qū)明顯減小。由于墩B傾斜角度的增加,在墩B后的小流速區(qū)域范圍增加,通過小流速區(qū)域的水流流向發(fā)生大的偏折。對比角度為5°和10°的兩個流速分布圖,水流流態(tài)并未發(fā)生大的改變,只是在墩B的角度增加時,墩B后小流速區(qū)范圍會增大。

圖11 墩B傾斜角度為5°的流速分布圖

圖12 墩B傾斜角度為10°的流速分布圖

從圖13 中可以看出,渠道中的流態(tài)由于墩B傾斜過大發(fā)生了流態(tài)紊亂現(xiàn)象,水流通過墩B時,墩B不僅沒有起到導流的作用還阻礙了水流的正常流動,以至于在墩B后形成了大范圍的低流速區(qū)域,同時低流速區(qū)域中出現(xiàn)了一定程度的回流現(xiàn)象。水流被分流成兩股水流,分別存在于左側渠道和右側渠道。隨著墩B的角度增大至13°,泵站側回流區(qū)的影響范圍不僅沒有減小反而增加了,由以上分析可以看出,墩B的傾斜角度不能太大,否則將造成水流主要分布于渠道的兩側,而中間渠道的水流流速很小的不良流場分布。

圖13 墩B傾斜角度為13°的流速分布圖

同樣采用動能修正系數(shù)的值對上面用流速分布圖得到的結論進行驗證,分別選取閘后80 m、130 m和180 m處的斷面對墩B不同傾斜角 2下的流場計算值,將三個不同斷面的ak值繪成如圖14所示的折線圖。從圖中可以看出,在墩A和墩B其它影響流態(tài)的因素保持不變的前提下,隨著墩B向泵站側傾斜角度的增加,ak呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,這是由于隨著墩B角度的增加,通過墩B的水流對墩A后形成的小流速區(qū)域進行了沖擊,使得墩A后的小流速區(qū)域范圍減小,但是當墩B角度過于傾斜時,不僅達不到導流的作用,還會阻隔水流的正常流動,因此水流通過墩B后,水流的流向發(fā)生一定的彎折,而且會在墩B后的渠道中形成大范圍的小流速區(qū)域,導致ak增加,影響渠道中的水流流態(tài),不利于渠道的運行安全。對墩B進行布置時,墩B應向泵站側傾斜,否則不僅達不到整流的效果,還會造成渠道內(nèi)水流的紊亂。墩B傾斜角度可設置在0°和10°之間,通過對墩B角度為0°、5°、10°進行比較,發(fā)現(xiàn)角度為5°時導流墩的整流效果較好,即減小了泵站側形成的回流區(qū)的范圍,也調(diào)整了水流流速均勻性的分布,降低了動能修正系數(shù)ak的值。

圖14 墩B不同角度下三個斷面的ak折線圖

5 結論

基于N-S方程和湍流模型對布置有閘站合建樞紐的渠道建立了三維數(shù)學模型,通過CFD數(shù)值模擬軟件對整流措施雙導流墩在不同傾斜角下流場進行模擬,通過分析速度場分布和渠道特征斷面上的動能變化優(yōu)選雙導流墩的傾斜角。研究表明通過調(diào)整雙導流墩的傾斜角,可以達到改善流態(tài)、消減回流區(qū)的目的。其中,與導流墻較近的導流墩的傾斜角取值范圍應選擇在10°～20°之間,15°時達到最優(yōu)；與導流墻較遠的導流墩的傾斜角取值范圍應選擇在5°～10°之間,5°時達到最優(yōu),否則會造成渠道中水流紊亂。