弧形凸体门槽水流特性研究

    

    

    

    摘 要：闸门作为一种节流装置，作用于各种水工建筑物的孔口上。水流在经过门槽时，由于水流边界的突然变化，导致流态复杂，易发生空化水流，导致附近的边墙出现空蚀现象。本文采用SST k-ω紊流模型对门槽附近的水流特性进行了数值模拟研究，主要内容包括：在不同的流速下，门槽内设置各种高度得弧形凸体对门槽内漩涡形态变化，涡心压强，边壁压强的变化。研究表明，门槽内设置梯形凸体可以减弱门槽内漩涡范围，随着弧形凸体高度的增加，漩涡范围逐渐减小;漩涡中心负压值和边壁负压值在h3=D/6附近达到最低峰值;凸体弧形段边壁出现较强的低压区。

    关键词：门槽;空化;漩涡;凸体;压力;数值模拟

    1 绪论

    平板闸门结构简单，制造、安装和运输方便，造价低，是被广泛应用的一种门型。水流流经门槽时 ，会在在门槽内出现立轴漩涡，发生漩涡型空化;在门槽下游，水流有脱离边壁的趋势，形成分离型空化[1，2]。分离型空化进一步发展会出现空蚀破坏。

    门槽附近水流流态复杂，门槽内的漩涡是影响门槽空化问题的主要因素，其压力和流速变化直接影响水流空化数。如何解决门槽的气蚀破坏，已成为水利行业技术中的关键技术，近年来国内很多学者针对门槽内流场进行了数值模拟研究。王汝权，孙建安[3]等人用守恒型格式結合多层网格法求解流函数方程，模拟方腔内涡流，具有较好的稳定性和较快的收敛速度。何士华，张立翔[4]等采用大涡模拟方法对水工平面闸门门槽区湍流场进行了计算分析，系统模拟了门槽的宽深比等几何参数变化对门槽内部及其附近水流的水力特性的影响。

    在门槽顺水流方向壁面设置突体可以改善门槽内漩涡强度，突体的形状会影响其影响效果。突体的体型不够平顺，会在门槽内形成新的分离型低压区;突体的高度偏高，突体两侧会形成新的漩涡，流态更为复杂。本文运用数值模拟分析方法，研究弧型突体对门槽内漩涡及门槽角隅后低压区造成的影响。

    2 数值模拟

    2.1 计算区域及边界条件

    计算区域设置：计算区域为10m×20m，门槽设置在两侧，门槽深度D=2m，宽度W=4，槽内设置不同高度凸体。

    入口边界条件选择速度入口;出口边界条件选择压力出口。

    设定出口处压强为1标准大气压;压力参考点为入口附近，流场内压力为相对于参考点的相对压力;

    2.2 数值模拟工况

    门槽宽度W=4m，门槽深度D=2m，错距为Δ=0.05m。弧形凸体位于门槽内边壁的中心处，底边L=2m，取不同半径的三段圆弧。

    为研究弧形凸体对漩涡中心分压和门槽壁面压力的影响，取h0=0、h1=D/6，h2=D/3，h3=D/2四种体型，h0=0相当于门槽内不设置凸体，h3=D/2时，凸体为半圆形;模拟四种流速10m/s、20m/s、30m/s和40m/s。

    3 数值模拟结果与讨论

    3.1 门槽漩涡

    图1为流速v=35m/s下，不同凸体体型的门槽内水流流线图。门槽内增设弧形凸体后，槽内的漩涡会变成两个旋涡，下游侧的得漩涡定义为主漩涡。上游侧出现的小漩涡为次漩涡。

    由图1（b）—（c）可看出，随着凸体h的增大，主漩涡漩涡半径逐渐减小，漩涡涡心位置有向下游方向移动，次漩涡的漩涡半径也逐渐减小，涡心位置基本未发生变化。

    图2是不同流速时主漩涡中心负压随凸体高度的变化。可以看出，在四种流速下主漩涡得变化趋势相同，中心负压值先减小后增大，速度越大，趋势越明显，在h3=D/6附近处，负压值达到最低，而后开始缓慢上升。

    下表为次漩涡中心压力随凸体高度的变化。可以看出，流速在10m/s-40m/s的范围内，涡心压力为正值;在相同流速下，次漩涡中心压力随体型变化幅度较小;次漩涡涡心压力值仍远大于主漩涡涡心压力值。

    3.2 边壁压力

    图3为边壁压力随弧形凸体高度的变化。可以看到，随流速增加，边壁负压极值增大;随着弧形凸体高度的变化，负压值在D/4附近处出现最高峰值，宽深比继续加大，负压有下降的趋势。模拟流速越大，边壁得负压值越大;与梯形凸体不同，边壁负压极值要大于漩涡中心压力值。

    梯形凸体方案中门槽边壁的低压区是由主漩涡涡心低压造成的，其负压值要小于涡心负压。由图1（a）—（b）可以看出，门槽内增设弧形凸体后，受弧形曲率的影响，凸体弧形段边壁出现低压区，其负压值要大于涡心负压，其发生点在弧形段下游1/4处。

    4 结语

    通过数值分析模拟得到如下实验结果：

    （1）门槽内设置梯形凸体可以减弱门槽内漩涡范围，随着弧形凸体高度的增加，漩涡范围逐渐减小。

    （2）凸体高对漩涡中心负压值的影响呈先减小，后增大的变化趋势;当h3=D/6左右时，负压出现极值;边壁处最低负压值与涡心负压值的变化曲线相似，但边壁负压小于涡心负压。

    （3）门槽内设置弧形凸体会恶化门槽内水流的压力特性，随着弧形凸体高度的增加，主漩涡漩涡强度逐渐降低，漩涡涡心位置发生变化，漩涡中心负压值先增大，后减小;门槽内增设弧形凸体后，受弧形曲率的影响，凸体弧形段边壁出现较强的低压区，其负压值要大于涡心负压，发生点在弧形段下游1/4处。

    参考文献：

    [1]CHARWAT A F，DEWEY C F，et al.An investigation of separated flows[J].Journal of Aero-space science，1961，28（6）：457-470.

    [2]倪汉根，陈霞.凹槽的旋涡及初生空化数的估算[J].水利学报，2000，（2）：16-21.

    [3]王汝权，孙建安.驱动方腔内涡流的数值模拟[J].空气动力学学报，1989，9（3）：298-300.

    [4]何士华，张立翔.门槽几何参数对团流畅低压效应的大涡模拟[J].系统仿真学报，2015，（5）.

    作者简介：崔润（1984—），男，汉族，吉林安图人，硕士，助理工程师，从事水利水电工程设计工作。