弧形闸门动水启闭力数值模拟

水利水电技术第４７卷２０１６年第５期　弧形闸门动水启闭力数值模拟　曹慧颖，李自冲，马仁超，余俊阳　（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明　６５００５１）　

摘　要：为研究弧形闸门的动水启闭力问题，以Ｎ—Ｓ方程为流体控制方程，结合　一　湍流模型，　采用ＶＯＦ方法追踪闸门泄水时的自由表面，以小湾水电站泄洪洞弧形工作闸门为例，对固定在某一　开度泄水时的流场进行数值模拟，求解出作用于闸门上的水压力大小和分布情况，并将结果与模型试　验测得的结果进行对比。在此基础上，考虑闸门自重、铰轴摩阻力、止水摩阻力、上托力和下吸力对　闸门启闭力的影响，得到最终所需的闸门动水启闭力，与模型试验测得的闸门启闭力作对比，验证数　值模拟方法的正确性和可行性。　关键词：弧形闸门；动水启闭力；自由面；湍流模型　ｄｏｉ：１０．１３９２８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｗｒａｈｅ．２０１６．０５．０１６　中图分类号：ＴＶ６６３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１０００—０８６０（２０１６）０５—００６５—０５　

Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｈｏｉｓｔｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙｆｏｒ　ｒａｄｉａｌ　ｇａｔｅ　ＣＡＯ　Ｈｕｉｙｉｎｇ，ＬＩ　Ｚｉｃｈｏｎｇ，ＭＡ　Ｒｅｎｃｈａｏ，ＹＵ　Ｊｕｎｙａｎｇ　（Ｐｏｗｅｒｃｈｉｎａ　Ｋｕｎｍｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　６５００５　１，Ｙｕｎｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｈｏｉｓｔｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｒａｄｉａｌ　ｇａｔｅ，ｔｈｅ　ＶＯＦ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｔｒａｃｅ　ｔｈｅ　ｆｒｅｅ　ｓｕｒ—　ｆａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｇａｔｅ　ｉｎ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｋ—ｓ　ｔｕｒｂｕｌａｅｎｃｅ　ｍｏｄｅｌ　ｂｙ　ｔａｋｉｎｇ　Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ　ｅｑｕａｔｉｏｎｓ　ａｓ　ｔｈｅ　ｆｌｕｉｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅｑｕａｔｉｏｎｓ．Ｂｙ　ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒａｄｉａｌ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｇａｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｆｏｒ　Ｘｉａｏｗａｎ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｃａｓｅ，ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｏｐｅｎｉｎｇ　ｉｓ　ｆｉｘｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｇａｔｅ　ｉｓ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｈｅｒｅｉｎ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｅ　ａｎｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｇａｔｅ　ａｒｅ　ｄｅｒｉｖｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｏｓｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｔｅｓｔ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ，ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｇａｔｅ　ｗｅｉｇｈｔ，ｔｈｅ　ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｎｇｅ　ｓｈａｆｔ，ｔｈｅ　ｓｅａｌ　ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｔｈｅ　ｕｐｌｉｆｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｏｗｎ—ｓｕｃｔｉｏｎ　ｆｏｒｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｈｏｉｓｔｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇａｔｅ，ｔｈｅ　ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｈｏｉｓｔｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｇａｔｅ　ｉｓ　ｆｉｎａｌｌｙ　ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈａｔ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｔｅｓｔ，ａｎｄ　ｔｈｕｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｆｅｒａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ａｓ　ｗｅｌ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒａｄｉａｌ　ｇａｔｅ；ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｈｏｉｓｔｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ；ｆｒｅｅ　ｓｕｒｆａｃｅ；ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ　ｍｏｄｅｌ　

闸门在启闭过程中或局部开启的情况下工作时，　水处于流动状态而产生动水压力作用在闸门上。因影　响动水压力的因素较多，而且动水压力的作用机理尚　不完全清楚，要定量计算比较困难。目前，在进行弧　形闸门启闭力的计算时，对于水头不高且不经常局部　开启的弧门，一般只是近似采用静水压力的计算结果　来代替动水压力的作用。对于需要动水中启闭的高水　头弧形闸门，考虑到启闭过程中水流条件的复杂性，　作用在闸门上的动水压力一般通过模型试验的方法获　得，但通过模型试验测得作用在闸门上的动水压力所　ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．４７Ｎｏ．５　需的代价较大，因此采用数值计算的方法得到作用在　闸门上的水压力，进而求解出在动水压力作用下弧形　闸门的启闭力是很有必要的。　目前，模拟自由水面的常用方法主要有高度函数法　（ＨＯＦ）、标记网格法（ＭＡＣ）…和体积率法（ＶＯＦ）　Ｊ。　ＨＯＦ法计算简单，但水深须是单指函数，水面线不　能重叠；ＭＡＣ法将欧拉法和拉格朗日法有机结合起　

收稿日期：２０１５．１２．０３　作者简介：曹慧颖（１９８７一），女，工程师。　

zzzPsgiolePfrp曹慧颖，等∥弧形闸门动水启闭力数值模拟　来，采用跟踪液体质点运动的方法，能精确模拟出自　由水面水流流态的变化，但是所需的计算机存储量较　大，其应用受到一定程度的限制；ＶＯＦ法是用体积　率函数表示流体自由面的位置和流体所占的体积，不　仅克服了标高函数法不能处理自由表面是坐标多值函　数的缺点，而且克服了ＭＡＣ法对计算机要求高的缺　点。因此，本文采用ＶＯＦ法描述闸门泄水时的自由　表面。　

１　自由面湍流场数值模拟的理论基础　１．１　控制方程　ｋ—　湍流模型　的控制方程组包括时均连续方　程、时均运动方程和湍动能ｋ、湍动耗散率　方程，　表达式如下　连续方程　

＋　：０　ｆ　１、　运动方程　

＋　Ｏｘ＝一

警Ｏｘ＋毒Ｏｘ　叫嚣Ｏｘ＋　Ｏｘ　ａ　，　，　，Ｌ　一　＼　。　．川　

ｋ方程　（２）　

Ｐ　＝蠹［（　＋　）差】＋Ｇ　＋Ｇｂ－ｐｅ－　ｃ３　占方程　ｐＤ　ｏｏ＝毒［（　＋　）毒】＋Ｃ１８ｋ（Ｇｋ＋Ｃ３　）一　（４）　

式中，ｕ　，　为时均速度分量；　，　，为坐标分量；ｔ　为时间；Ｐ为密度；ｐ为时均压力；ｔｘ为分子动力粘　性系数；　为湍动粘性系数，即涡粘性系数；ｋ为　湍动动能；　为湍动耗散率；Ｇ　是浮力影响产生的　湍动能；Ｇ　是时均速度梯度引起的湍动能，Ｇ　＝　

（　＋ａ　ｕ　ｊｌ　Ｏ　ｕ￣，　、　＝１，２，３；　为可压湍流脉　动膨胀对总的耗散率的影响；／ｘ　为湍流粘性系数，　譬。　

１．２　自由面　ＶＯＦ方法的基本原理是定义一流体体积函数Ｆ　（　，Ｙ，ｚ，ｔ），存在流体Ｉ的点取值为１，存在流体　Ⅱ的点取值为０，那么在一个单元内Ｆ（　，Ｙ，ｚ，ｔ）　的平均值就表示该单元内流体Ｉ所占体积的百分比。　当Ｆ（　，Ｙ，ｚ，ｔ）＝１时，表示该单元充满流体Ｉ，Ｆ　（　，Ｙ，　，ｔ）＝０时，表示该单元充满流体１１，０＜Ｆ　（　，Ｙ，　，ｔ）＜１时，表示该单元为两相物质的交界　面单元。该方法通过方程娑＋ｕｉ　：０求解体积率　ｏｔ　ｏｘ　函数来确定界面的区域。　２工程算例　２．１工程概况　小湾水电站位于云南省澜沧江中游河段与支流　黑惠江交汇后下游１．５　ｋｍ处，是澜沧江中、下游　河段的龙头水库。按照水库防洪泄水要求，电站泄　洪系统除坝身设有表、中孔外，还设有一条泄洪　洞，泄洪洞进口段设平面事故检修定轮闸门，中段　设弧形工作闸门。小湾水电站规模大，泄洪洞承担　水库２０％的洪水宣泄，泄洪洞弧形工作门的孔口尺　寸大，工作水头高，有着“表孔闸门的孔口尺寸，　深孔闸门的水头”的特点。泄洪洞弧形工作闸门的　基本资料如表１所列。　表１闸门基本资料　项　目　指标　孔口尺寸（宽Ｘ高）／ｍ　Ｘｍ　１３×１３．５　孔口数量／：ｆＬ　１　闸门数量／扇　ｌ　底坎高程／ｍ　１　１９４．１３５　设计水头／ｍ　４６　正常水位／ｍ　１　２４０．０　最高水位／ｍ　１　２４２．５　面板半径／ｍ　２３　支铰高度／ｍ　１９　操作条件　动水启闭，局部开启　２．２弧形闸门上动水压力的求解　２．２．１　计算网格和计算工况　计算区域长度取６５　ｍ，上游高度取泄洪洞设计　水头４６　ｍ，下游高度取泄洪洞的孔口高度１３．５　ｍ，　流体计算模型共７　７５０个单元，９　４１６个节点，固体　计算模型共４　２００个单元，５　２７８个节点，计算网格　如图１所示。弧形闸门动水压力的计算共分１．５　ｍ开　度、３．０　ｍ开度、４．５　ｍ开度、６．０　ｉｎ开度、７．５　ｍ开　度、９．０　ｍ开度、ｌ０．５　ｍ开度、１２．０　ｍ开度８种工　况进行。　２．２．２边界条件和初始条件　流体计算模型中，在水体的外边界处施加无滑移　固壁边界条件，水体和闸门的交界面施加流固耦合边　界条件；固体计算模型中，在闸门与水体接触部位施　加流固耦合边界条件，闸门的下游面施加固定约束。　流体湍动动能ｋ和湍动耗散率　根据经验公式　确定，　

水利水电技术第４７卷２０１６年第５期　

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