高水头船闸阀门段体型优化三维数值模拟.pdf

第 3 0 卷第 2期 Vo 1 ． 3 0 N o ． 2 水 利 水 电 科 技 进 展 Ad v a n c e s i n S c i e n c e a n d I h n o l o o f Wa t e r R e s o u r c e s 2 0 1 0年 4月 Apt ．2 01 0 D O I 1 0 ． 3 8 8 0 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6 7 6 4 7 ． 2 0 1 0 ． 0 2 ． 0 0 3 高水头船闸阀门段体型优化三维数值模拟 杨忠超 ， 杨 斌， 陈明栋， 胡雪梅 重庆交通大学内河航道整治技术 交通行业重点实验室 ， 重庆4 0 0 0 7 4 摘要 采用动 网格技术和 V O F方法对 阀门开启过程进行非恒定流三维紊流数值模拟 ， 分析 阀门段 水流急变分 离的流态、 流速、 压力等水力特性参数的时空演化规律 ， 分析 出现 空蚀危险的区域和时 刻。针对阀门后突扩体项板和升坎凸弧处出现的较低 负压问题 ， 提 出8种体型方案 ， 并分析体型参 数对流速、 流态、 压强分布的影响， 遴选 出最佳体型。分析结果表 明， 方案 3的顶板压强最大， 方案 8的升坎凸弧处压强最大。 关键词 高水头船 闸； 阀门； 紊流数值模拟 ； 动网格 ； 空蚀 ； 体型优化 中图分类号 U 6 4 1 ． 3 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 7 6 4 7 2 0 1 0 0 2 0 0 1 0 0 4 Th r e e d i me n s i o n a l nu me r i c al s i mu l a t i o n o f fig ur e o p t i mi z a t i o n o f v a l v e s o f h i 【g h h e a d I o e k s ／ ／YANG Zh o n g - c h a o，YANG B i n ， C H E N M i n g - d o n g ，H U X u e m e i L a b o r a t o r y I n l a n d W a t e n , a y R e g u l a t io n E I t g i n e e r i n g o f Mi n is t ry of C o m m u n i c at i o n s ， C h o n g q i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y，C h o n g q i n g 4 0 0 0 7 4，C h i n a Ab s t r a c t T h e d y n a mi c m e s h t e c h n o l o g y an d t h e V OF me t h o d w e l“e e mp h } y e d t o c o n d u c t 3 D n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f u n s t e a d y fl o w s f o r t h e o p e n i n g p r o c e o f v a l v e s o f h i 【g h h e a d l o c k s ． T h e s pat i M a n d t e mp o r a l e v o l u t i o n r ule s o f h y d r a u l i c p a r a me t e r s s u c h a s fl o w p a t t e m ．fl o w v e l oc i t y and p r e s s u re w e r e a n a l y z e d ． e r e g i o n a n d t i me w i t h t h e occ u r r e n c e of c a v i t a t i o n e r o s i o n w e r e d i s c o v e r e d． As f o r t h e l o w n e g a t i v e p r e s s u re p r o b l e m o n t h e c e i l i n g a n t i t h e e n d of r i s e s t e p ．8 d e s i g nh e ／ l l e s f o r t h e , fi g u r e o p t i mi z a t i o n w e F e p l D i T h e e ff e c t o f t h e fi g u r e p a ／ a me t e r s O n t h e f l o w v e l o c i ty ， fl o w p a t t e r n a n d p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n w e re a n aly z e d． A c c o r d i n g l y ，t h e o p t i mi z a t i o n fi g u r e w a s s e l e c t e d ．T h e res u l t s s h o w t h a t t h e p r e s s u r e o n the c e i l i n g i s t h e l a r g e s t for t h e t h i rd d e s i g n sch e me a n d the p r e s s u r e O ff the e n d of r i s e s t e p i s t h e l a r g e s t f o r t h e e i g h t h d e s i g n sch e me ． Ke y wo r dsh i g h he a d l o c k；v alv e；n u me ric a l s i mu l a t i o n of t u d u l e n t f l o ws ； d y n a mi c me s h； c a v i t a t i o n e ros i o n； s h a p e - t y pe o p t i mi z a t i o n 由近年国内、 外船闸建设状况可知 ， 越来越大的 船闸规模及越来越高的水头是现代船 闸的发展趋 势。船闸输水阀门每天频繁操作 ， 工作条件复杂， 在 非恒定高速水流作用下， 极易在阀门段 、 分流 口等部 位形成空化， 严重 时可能导致 阀门及输水廊道空蚀 破坏 ， 威胁建筑物及通航安全 ， 因此 ， 输水系统阀门 段的空 化 问题 是 高水 头船 闸设 计 的关 键技 术 难 题_ l 。乌江银 盘枢纽 船 闸设 计最 高通航 水头 达 3 6 ． 4 6 IT I ， 为 目前国 内已建 和在建 船 闸中最 高的水 头 ， 是世界排名第 3的单级船闸。在物理模拟试验 和数值计算中， 阀门段空腔内均出现负压 ， 尤其在升 坎反弧处水流脱离边壁 ， 负压尤为明显。并且 ， 该处 负压接近廊道边壁， 容易对建筑物造成空蚀破坏。 采用数值模拟手段研究阀门廊道中的流场特性 具有优化体型方便 、 节约财力 、 节省时间 、 不存在 比 尺效应等优点 ， 是物理模型试验研究的有力补充手 段。王玲玲等【 引、 戴会超等[ 6 1 、 马峥等[ ] 采用 ． e双 方程模型对三峡船闸充水系统阀门段进行二维数值 模拟； 王智娟等 采用 三维数学 模型在 阀门开度 0 ． 4 时对银盘船 闸阀门段体 型进行 优化。这些 研究成果加深 r对阀门水力学 的理解 ， 为高水头船 闸阀门设计提供了科学依据。 在整体埋深及廊道尺寸受 限的情况下， 通过局 部体型修改来优化其压力条件是解决空化空蚀问题 的有效途径。本文提 出一系列体型 ， 采用动网格技 术对其进行非恒定 流三维数值模拟 ， 分析阀门段水 流急变分离的流态 、 流速 、 压强的时空变化规律， 遴 选 出最佳体型。 基金项 目 交通部西部建设项 目 2 0 0 5 3 2 8 0 0 0 3 0 ； 重 庆市教委基金 K J 0 5 0 4 0 8 ； 重 庆市科委基金 C S T C 2 0 0 6 E A 6 0 0 8 作者简介 杨忠超 1 9 7 2 一 ， 男， 四川眉山人， 副研究员， 博士， 从事水力学、 河流动力学和计算流体力学研究 E - m a il y a n g zx 9 9 8 ． C O i l ． c n ‘ l 0 。 水利水电科技进展 ， 2 0 1 0 ， 3 0 2 T e l 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - rr u t U j z I d m． e d u ． l h t tp ／ ／ k k b ． h h 1 ． 1 1 计算模型 1 ． 1 控 制方程 计算模型选用在紊流计算中得到公认的雷诺时 均法 ． ￡双方程紊流模型。采用有限容积法对偏微 分方程进行积分 ， 方程离散中对流、 扩散项采用二阶 向后全隐式格式 ， 时间项采用一 阶向后差分格式。 为了反映压力对速度的影响 ， 采用压力一 速度耦合求 解的 S I M P L E R算法 ， 同时采用多重网格技术加速求 解。线性化的方程组求解运用点隐式高斯一 塞德尔 迭代方法。 连续方程 0 1 t十 3x．一 ＼ 动量方程 c 一 【 c v 爱 k方程 3t 差 ’ x 一 x ＼ d a x 1 ’ G k一 3 ￡方程 舞 r] t ’ f] x x ；＼ d f a x 1 ’ C G 一 c 2 e 10 4 譬 4 2 一 S k ．s √ 2 i j 一 ． V 矿 ’ 舞 1 3 u i 式中 p和 v分别为体积分数平均的密度和分子黏 性系数； 为紊流黏性 系数 ； k为紊 动能； ￡为紊动 耗散率； G k为生成项 ； i 1 ， 2 ， 3 ， 即 { ， ， } ， { “ u ， ， W} ； 为求和下标。 方程 中通 用模 型常 数 叩 o4 ． 2 8 ， 0 ． 0 1 5 ， O． 0 8 5， C2 1 ． 6 8， O “k i -- - 0． 71 79， 0． 71 79 。 1 ． 2 计算阀门段廊道 以乌江银盘船闸充水阀门段廊道体型建立计算 模型。计算区域以阀门井为中点 ， 上游至廊道进水 口， 约长 3 8 I T I ， 下游 至廊道 水平分流 口， 约 长 4 9 m 。 阀门井宽 4 ． 5 n l ， 模型总长约 9 1 m 。由于阀门启动后 就存在 门楣缝 隙． 故 建立模 型时在 门楣处 预 留约 水利水电科技进展 ， 2 0 1 0 ， 3 0 2 T e l 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 2 c m的狭缝以模拟狭缝射流。采用 四面体和六面体 混合网格进行剖分 ， 对 阀门区和突扩段网格进行加 密。银盘船闸阀门段廊道及计算 网格剖分见图 1 。 罨 图 1 银盘船 闸阀门段廊道及计算 网格剖分示意图 1 ． 3 边界条件处理 1 ． 3 ． 1 自由表面 对于阀门井存在的 自由表面 ， 采用三维 V O F法 进行计算。 1 ． 3 ． 2 进 、 出17 条件 进 、 出口均为压力边界条件。进 口采用进 口廊 道底至水库水面静水压力分布。实际随着阀门开启 过程， 出口随闸室水深增加而压力增大 ， 上 、 下游出 口压力差减小。但为了模拟最不利工况 ， 保持 出口 最低压力不变 ， 即出 口按下游河道水面至出口廊道 底的静水压力分布设定。 1 ． 3 ． 3阀 门开启 阀门开启速度采用 U D F文件 笔者采用速度随 时问变化规律 使阀门实现连续 的开启过程。阀门 开启过程中采用动网格技术调整和更新阀门运动后 的网格 ， 确保计算网格质量。 1 ． 3 ． 4 固壁边界条件 固壁边界条件 由壁函数方法给定。 2 设计方案结果分析 图 2表明在阀门开启过程中 ， 突扩体腔 内逐步 形成 2个明显的旋涡 ， 逆时针旋 涡位于主流上方的 上突扩内， 顺时针旋涡位于底扩跌坎后的三角区域 ， 2个旋涡方 向相反。在上游 高水压作用下 ， 阀门下 底缘与廊道底板之间形成高速射流 ， 射流斜 冲下突 扩体底板后 ， 主流附底板而下冲击升坎 ， 在升坎末端 由于断面减小 ， 流速显著增加 ， 且由于流向改变 ， 形 成脱壁。从流速来看 ， 主流在阀门开度 It0 ． 4时流 速最大， 约为 2 4 ． 7 m ／ s ； 升坎凸弧末端脱壁流速在阀 门开度 It0 ． 8时达到最大， 为 2 5 ． 2 2 m ／ s 。 从 图 3和图 4可见， 随着阀门开度增加 ， 在突扩 体顶板和升坎凸弧处形成 2 个低压区。在阀门开度 n0 ． 5 时，顶 板 压 强 Ⅱ 点 达 到 最 小 ，为 E - m a i l j z h h u ． ． m h t tp ／ ／ k k b ． h h u ． e d u ． e ft - 1 1 一 7 ． 3 1 k P a ； 在阀门开度 n 0 ． 6～O ． 8时升坎凸弧处 Ⅳ点 的负压达到最低 ， 为 一1 2 0 ． 7 5 k P a ， 故存在较 高的空蚀破坏风险 ， 需进一步对体型进行优化。 一 l 4 1 6 1 8 一2 0 一2 2 2 4 2 6 一 l 4 1 6 1 8 { 一 2 0 一2 2 2 4 2 6 4 5 5 0 5 5 6 O 6 5 x／ m a ， 1 8 S ． n 0 ．3 45 5 0 5 5 6 0 6 5 x／ m b ， -- 4 8 S ， n 0 ． 8 图2 设计方案阀门廊道中的剖面流场 l P 一 6 O kP a 2 P 2 0 kP a 3 尸 4 0 k P a 4 尸 6 0 k P a 5 P 8 0k Pa 6 P l 0 0k P a x ／ m a ， 1 8 S ． n 0 ． 3 I 尸 一 6 O k P a 2 P 一 2O k P a 3 尸 2 0 k P a 4 P 4 0k P a 5 P 6 0 k P a 6 尸 8 0k P a 图3 设计方案阀门不同开度时廊道中的剖面水压 P分布 3 优化方案结果分析 3 ． 1 优化方案 为了探索阀门段廊道几何参数对腔体内压力分 布的影响 ， 解决腔体内的负压问题 ， 尤其是升坎凸弧 图 4 设计 方案突扩体关键点水压随时间变化曲线 高负压的难题 ， 从 突扩体长度 、 上突扩高度 、 下跌坎 高度 ， 以及升坎倾角进行调整 ， 在设计方案之外提出 了 8 个方案 见表 1 ， 表中参数含义见图 5 。 表 1 各 比选方案几何参数 图 5 阀门段优化几何参数示意图 单位 m 3 ． 2 流 场分析 廊道几何参数调整以后腔体内的流态发生显著 变化。图 6比较 了阀门开启过程 中阀门开度 n 0 ． 3 时流态 。除设计方案 、 方案 3和方案 6外 ， 其余 方案在阀门开启初期， 腔体 内首先形成一个顺时针 旋涡， 但这个旋涡不稳定 ， 约在 凡 0 ． 3 5时旋涡从升 坎凸弧处被挤出空腔体， 同时在跌坎下形成稳定 的 小范围的顺时针旋涡， 在流股上方形成较大范围的 逆时针旋涡。由于腔体几何参数不同， 旋涡的形体、 大小及位置略有不同。 3 ． 3 压 力分析 从 Ⅱ点压强变化来看， r t 0 ． 3时腔体 内旋涡开始形成， 强度不断增大， 顶板处压强减小 ， n0 ． 5～0 ． 6时压 强达到最低 ， 随后 压强逐渐回升。保持下突扩高度 不变， 比较设计方案、 方案 2 、 方案 3 和方案 8 ， 可 见增大上突扩高度 。 有利于增大顶板压强。比较 设计方案 、 方案 1 和方案 2组 ， 方案 3 、 方案 4 、 方案 5 和方案 6组 ， 方案 7和方案 8 组 ， 可见保持上突扩高 。 1 2 。 水利水 电科技进展 ， 2 0 1 0 ， 3 0 2 T e l 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a d 丘 ． e d u ． m l u tp ／ ／ k k b ． h h u ． e d u ． c n a a a a a a P P P P P k k k k k k O O 0 O O O 4 6 8 2 4 6 l l 4 4 4 f f f f f f l i f ． 尸 P 尸 尸 P P 8 9 0 1 2 3 忸 馏 堆 k k k k k k 瑚 瑚 P P P P 尸 P 。 f i 一 m／ 、 ； 三 j ； ； 图 6不 同方 粟 的流 场 比较 I t 1 8 s ， n0． 3 J 度 日 不变 ， 增大下突扩 ， 亦可增大顶板压强。但 增大 可提高Ⅳ点的压强。其原因是增大下突扩 是受 n和 b角度 的影响， ． 和 风 最大的设计方案 有助于跌坎处生成旋涡 ， 消能较充分 ， 从而减小了升 顶板压强却不是最大， 而是方案 3时顶板压强最大 ， 坎凸弧处的流速。对于方案 7和方案 8 ， 倾角 口对 基本未出现负压 ， 最小为 3 ． 2 5 k P a ； 方案 6的顶板压 Ⅳ点的压强影响较明显， a越小 ， 压强越大， 原因是 强最小 ， 达到 一 4 1 ． 9 5 k P a 。 小倾角减小 了脱壁流强度。对 比所有方案 ， 方案 8 空蚀空化最危险区位于突扩体升坎凸弧处 Ⅳ 的Ⅳ点压强最大， 最低值为一 6 3 ． 5 9 k P a ， 比设计方案 点 。从 Ⅳ点的压强过程线 图 7 来 看， 在 ／10 ． 3时腔体 内旋涡 形成 ， 升坎凸弧处形 成脱 壁流 ， 压强开始下 降 ， 约 ， l 0 ． 6～0 ． 8之 间达到最低 ， 随后压强逐 渐 回升。 从图 6可见 ， 设计方案 、 方案 3和方案 6没有发生初 生旋涡被挤出突扩体的现象 ， 故 Ⅳ点的压强从 n 0 ． 2 5时逐渐降低 ， 其余方案在初生旋涡被挤出突扩 体瞬间时Ⅳ点的压强出现明显的陡降。从体型参数 分析 ， 当 不变时 ， 比较设计方案 、 方案 2 、 方案 4 和方案 8 ， 增大 H。 ， 口角变大， Ⅳ点 的压强变低。其 原因是 a角越大 ， 升坎 凸弧处水流脱壁越严重 ， 造 成压强越低 ； 当 ． 不变时 ， 比较设计方案、 方案 1 和 方案 2 组 ， 方案 3 、 方 案 4、 方案 5和方案 6组 ， 可见 章 翥 一改计疗案一方案l一 案2 ．ij絮3 一n繁4一b寨5 一{s繁6 1i繁1一 繁8 图 7 阀门开启过程中各方案Ⅳ点的压强比较 4 结语 采用动网格技术 和 V O F方法对高水头船 闸阀 门开启过程进行非恒定流三维紊流数值模拟， 分析 阀门段水流急变分离的流态 、 流速 、 下转第 5 7页 水利水电科技进展 ， 2 0 1 0 ， 3 O 2 T e l 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 Gr r i l j z u ． ． c n h * t p ／ ／ 枞 ． ． ． c n 。 1 3 ‘ [ 5]梅亚东． 梯级水库优化调度的有后效性动态规划模型 及应用[ J ] ． 水科学进展， 2 0 0 0 ， 1 1 2 1 9 5 1 9 8 ． [ 6]张玉新， 冯尚友． 多目标动态规划逐次迭代算法 [ J ] ． 武 汉水利电力学院学报 ， 1 9 8 8 6 7 2 8 2 ． [ 7]黄强， 颜竹丘 ． 应用大系统递阶控制理论解梯级水电站 水库群长期最优调度[ J ] ． 水电能源科学， 1 9 9 3 ， 1 1 2 8 0 8 7． [ 8]王少波， 解建仓， 汪妮 ． 基于改进粒子群算法的水电站 水库优化调度研究[ J ] ． 水力发电学报 ， 2 0 0 8 ， 2 7 3 1 2 一 l 5． [ 9]马光文， 王黎． 遗传算法在水电站优化调度中的应用 [ J ] ． 水科学进展，1 9 9 7 ， 8 3 2 7 5 2 8 0 ． [ 1 0 ]钟登华， 熊开智， 成立芹， 等． 遗传算法的改进及其在水 库优化调度中的应用研究[ J ] ． 中国工程科学 ， 2 0 0 3 ， 5 9 2 2 2 6 ． 1 I 1 J A H M E D J A， S A R MA A K． G e n e t i c A l g o r i t h m f o r o p t i m a l o p e r a t i n g p o l i c y o f a m u l t i p u r p o s e r e s e r v o i r[ J ] ．Wa t e r Re s o u r c e s Ma na g e me n t ，2 00 5， 1 9 1 4 5 1 61． [ 1 2 ] 梁伟， 陈守伦， 何春元， 等 ． 基于混沌优化算法的梯级水 - 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5 3 ． 收稿 日期 2 0 0 9 0 7 1 0 编辑 高建群 水利水 电科技 进展 ， 2 0 1 0 ， 3 0 2 T e l 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l j z h h u． e t h t ． m h t t p ／ ／ k k b ． h h u ． e d u． m ‘ 5 7 。