丢弃负荷工况下事故闸门井流态CFD数值模拟
摘 要:本文基于紊流模型对某水电站平板闸门及闸门井周围湍流流场进行了CFD数值模拟,探讨了在丢弃负荷工况下闸门井水位变化过程线和各时刻平板闸门上的压力分布情况,并给出了闸门所受合力随时间变化以及闸门井内横断面的流态图,在此基础上分析了丢弃负荷工况下闸门井内的这种流态对闸门振动的影响。
关键词:闸门井平板闸门数值模拟
中图分类号:TK730文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)06(b)-0101-02
水电站在运行时的负荷经常发生变化,这时机组就需要相应的改变应用流量,引水系统中发生非恒定流现象。单机组丢弃负荷时,水轮机的引用流量在短时间内减小为零,闸门井中水位往复波动,由于强烈的紊动而产生的脉动压力作用在钢闸门结构上,使之产生一定程度的振动。目前对于这种振动的机理尚不十分明确,也没有行之有效的消除措施。基于此我们采用CFD和三维有限元方法对丢弃负荷工况下闸门的受力和闸门井内流态进行数值模拟。
1 数值计算模型
利用Gambit软件按1:1建模,模型包括部分水库、闸前引水管道、检修闸门井、事故闸门井、平板钢闸门和闸后引水管道。为了简化计算,对模型做了适当处理,如保持引水管道的面积不变,近似的视管道截面为矩形。为了方便网格划分,在不影响计算精度的前提下对闸门的工字钢梁板进行适当加厚处理。闸门平面尺13600mm(宽)×12000mm(高)。模型网格划分如图(1),对事故闸门井和事故闸门部位的网格将适当加密,网格总数为780000个。采用瞬时态问题算法和分离式求解器求解。
2 基本控制方程
(1)连续性方程:
(2)紊流模型(包括方程和方程)
紊流脉动动能方程:
;
紊流脉动能耗散率方程:
其中,,
,,
,,
,,
,,,
。公式中为流体密度,为流体速度,为分子粘性系数,为紊流粘性系数,为紊流脉动动能,为紊流脉动能耗散率。
(3)模型:,
其中,;
当时,当时 。是流体速度场,是流体所在的区域,是流体所在的区域。
3 模型边界条件设定
边界条件设置如图(2)所示,水库水位由压力边界模拟,取其为参考压力;出口边界为速度边界,可以由函数确定。还给出了固壁边界,由于计算区域关于平面对称,只取其一半划分网格,对称面定义为边界为对称边界。
4 数值模拟结果及分析
用非定常的模型来追踪闸门井内流体与空气的自由界面的形状,从各不同时间水的体积分数云图可以看出事故闸门井内水面(自由界面)的变化情况。由闸门井内体积分数云图(图3)知由于闸门主梁的作用,使得部分断面面积被隔断,每个主梁板都是一个突变段,使得这部分水流阻力远大于部分。通过流速云图可以看出部分的流速大于部分,这反映了闸门井内水位涨落过程中,平板闸门的迎水面与背水面的水力阻尼不一致,使得闸门受到方向的水推力,进而引起闸门方向的振动。
闸门体在方向上受到的水压力呈周期性变化。在丢弃负荷工况条件下,水从闸门井底部流入流量增加,部分由于横梁的作用,上升速度不及腔,从而闸门左右形成水位差,这个水位差造成了闸门受到方向的变化的合力。
同理,在方向上闸门受到水压力和浮力,丢弃负荷工况初始水位上升,闸门横梁受到水流向上的力;当闸门井内水位下降时,横梁受到水流向下的冲击。当然由于能量的损耗,闸门井内水位最终会稳定在一个新的水位。比较方向和方向的闸门体受力情况,在丢弃负荷时,在水平方向受力的变化幅度比铅直方向大得多。故可以认为闸门振动的主要影响因素是水平方向变化的力,因此在水平方向上需采取相应的防振措施。
5 结语
此研究是在视闸门体为刚体的前提下得出的结论,与实际情况可能有一定的差异,在实际情况下平板闸门是非常复杂的空间结构,还需考虑作用在闸门体上的水流的脉动频率和闸门的自振以及流固耦合等因素。
参考文献
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