青草沙水庫閘下海漫段加糙體消能效應的數值模擬

翟孟斌鞠 偉丁 玨李孝偉

(上海大學上海市應用數學和力學研究所,上海 200072)

青草沙水庫閘下海漫段加糙體消能效應的數值模擬

翟孟斌,鞠 偉,丁 玨,李孝偉

(上海大學上海市應用數學和力學研究所,上海 200072)

為了進一步提高青草沙水庫的換水能力,從雷諾平均Navier-Stokes方程和標準k-ε湍流方程出發(fā),基于流體力學的相關理論和SIMPLE算法,數值模擬加大青草沙水庫排水量條件下,下游水閘閘門下游水流特性以及對底部沖刷效應。結果表明:在海漫段布置四腳空心塊體進行加糙時,可以調整海漫段近底流速分布,降低海漫段近底流速,而且布置四腳空心塊體數量越多,增加糙率的效果越顯著。從工程經濟角度出發(fā),在距離海漫段入口13 m處布置2排交錯排列的四腳空心塊體、在35 m和57 m處各布置1排四腳空心塊體的方案能達到最佳的消能效果。此外,護面塊體間距的減小有利于增大底部的粗糙率和壅高水位,但是對減小護灘段下游的近底流速并不顯著。

海漫段;閘下消能;人工護面加糙塊體;底部流速;湍流強度;青草沙水庫

青草沙水源地地處長江口江心部位,位于長興島的西北方。該水源不受陸域排污的干擾,水量豐富、水質優(yōu)良,是上海市難得的優(yōu)良水源地和城市供水的戰(zhàn)略儲備。對于上海這座水質型缺水的城市而言,青草沙水庫的建成彌補了其飲用水的缺口。青草沙水庫是蓄淡避咸型水庫,其功能主要是非咸潮期自流引水入庫供水,咸潮期間通過預蓄水量來滿足受水區(qū)域的原水供應。青草沙水庫上游泵閘、下游水閘和輸水泵站的位置見圖1。

青草沙水庫及取輸水泵閘工程自2010年底建成通水至今運行良好,發(fā)揮了原有設計功能。由于是大型水庫,在運行中換排水主要依靠下游水閘和輸水泵,為了進一步提高水庫換水能力,縮短換水周期,設計人員根據青草沙水庫現(xiàn)狀運行情況的初步分析,提出適當增加下游水閘排水流量的方案。由于排水流量的增加會對下游的海漫段、護灘段造成較大的沖刷作用,因此需要考慮消能方案來降低對下游的沖刷效應。

圖1 青草沙水庫泵閘工程位置示意圖

為了防止閘下沖刷,國內外學者對消能問題已進行了長期而深入的研究。任會[1]進行了一系列水工模型試驗,研究了海漫加糙后對近底流速的影響,以及海漫加糙后的防沖效果。于慶峰[2]建立了海漫加糙后水流垂向二維數學模型,能迅速模擬出加糙段下游各個截面在垂向上的流速分布情況。郭憲艷等[3]詳細分析了平原地區(qū)消能防沖設計中消力池、海漫、防沖槽以及上下游河岸的防護設計方法。韓昌海等[4]采取模型沙試驗,選用在消力池末端設齒坎的輔助消能方案,對青草沙水庫下游水閘的消能沖刷進行了試驗研究。李鵬飛等[5]采用彈性較好的環(huán)狀橡膠圈模擬廢舊輪胎,在實驗室人工水槽中開展了海漫柔性加糙的試驗研究。史國慶等[6]通過室內水工模型試驗,測量了采用廢舊輪胎加糙后三維流速的分布。王旺盛[7]對海漫段加糙下游水流的近底流速降低、沖刷不再加劇的效果進行了模型驗證,取得了預期的效果。吳修廣等[8]采用σ坐標下垂向二維自由表面流動的雙方程湍流數學模型,加入了動水壓強項,模擬了帶有溝槽的明渠水流的垂向二維流速分布情況。卞華等[9]采用激光流速儀對二維加糙明渠紊流進行了試驗測量,討論了二維粗糙床面的理論基面當量糙率值的確定問題。

綜上所述,加糙海漫段有助于適當降低近底流速,防止下游沖刷。本文從青草沙水庫的實際情況出發(fā),采取在海漫段下游水閘底部增加四腳空心塊體作為加糙體的消能方案,利用流體力學的相關理論和計算流體力學(CFD)方法開展加大排水量條件下,下游消力池、海漫段、防沖槽、護灘段以及外圍區(qū)域流速的研究,為青草沙水庫下游水閘排水量的增加、控制近底的沖刷效應等技術措施的完善奠定理論基礎。

1 湍流理論方程

根據嚴格描述湍流瞬時量的三維Navier-Stokes方程,經過雷諾分解和平均,得到如下控制方程組:

式中:p為壓強;ρ為密度為流體的平均流速和平均壓力;u為t時刻的流速;T為溫度;μ為黏性系數為平均質量力;E為總能;keff為有效熱傳導系數;Sh為能量源;τij為雷諾應力;u′為湍流脈動速度為由湍流脈動引起的雷諾應力張量。根據Boussinesq[10]于1877年提出的渦黏性模型EVM(eddy viscosity model),雷諾應力項存在以下關系式:

式中:k為湍流動能,為湍流黏性系數。

本文從雷諾平均的Navier-Stokes方程出發(fā),研究三維流場涉及的湍流流動,即采用標準k-ε湍流模式,該模式適用于高雷諾數完全發(fā)展湍流流動。此外,采用有限體積法對方程進行離散,基于SIMPLE算法開展數值模擬[11]。

2 幾何模型和網格布置

底流消能一般由消力池、海漫段、防沖槽3個部分組成。消力池緊接閘室,其作用是促成水躍,并保護地基免受沖刷。海漫段緊接消力池,其作用是繼續(xù)消除水流的動能,使水流擴散并調整流速分布。在海漫段的末端設置防沖槽來進一步減小沖刷效應。本文根據這3部分消能區(qū)域,并結合實際情況,對青草沙下游水閘的下游結構進行三維的幾何建模。

幾何模型通過在海漫段的底部增加人工護面塊體的方式達到加糙的效果。常見的人工護面塊體有四腳空心塊體、扭工字塊體、扭王字塊體[12]。本文選取四腳空心塊體進行數值模擬研究,如圖2所示,四腳空心塊體高1.3 m。

圖2 四腳空心塊體示意圖

模型設定的水閘出口水流流速為4 m/s,其流速是現(xiàn)行實際流速的2倍。模擬計算區(qū)域為:x方向(水的流向)主要考察從下游水閘閘口開始至灘面178m;y方向區(qū)域的最大寬度為191 m;z方向水深為3m左右。由于流場存在對稱性,因此把流場模型坐標系原點設在水閘出口位置的中心(圖3),y方向的尺寸選取為水庫實際尺寸的一半,從而模擬1/2流場。模型的起點也就是下游水閘,位于x=0 m處,寬度y=15m;緊接著的是海漫段,長度為78 m,寬度y由15m線性增加至35 m;有拋石保護的護灘處于x方向78～128m之間,寬度y=95 m;最后是無保護措施的護灘,處于x方向128～178m之間,寬度y=95m。

圖3 流場模型平面示意圖(單位:m)

采取非結構化網格布置計算區(qū)域,總計約150萬網格。由于涉及的計算區(qū)域較大,為了較好地說明問題,著重對海漫段的流場進行分析。共選取了9種方案:①無護面塊體;②在距離海漫段入口13 m 處(即x=13m)布置1排四腳空心塊體;③在距離海漫段入口35 m處布置1排四腳空心塊體;④在距離海漫段入口57 m處布置1排四腳空心塊體;⑤在距離海漫段入口13 m和35 m處各布置1排四腳空心塊體;⑥在距離海漫段入口13 m和57 m處各布置1排四腳空心塊體;⑦在距離海漫段入口35m和57m處各布置1排四腳空心塊體;⑧在距離海漫段入口13 m、35 m、57 m處各布置1排四腳空心塊體;⑨在距離海漫段入口13 m處布置2排交錯排列的四腳空心塊體,在35m和57m處各布置1排四腳空心塊體。圖4為當四腳空心塊體交錯排列時,計算區(qū)域網格的布置圖。

圖4 交錯排列時的計算網格布置

3 模擬結果及分析

3.1 護面塊體對海漫段流速的影響

對y=5 m(靠近對稱軸)以及垂直于主流的截面進行分析,選取4個沿流向x的截面:7 m、24 m、46 m、68 m。

圖5 海漫段垂向流速分布(y=5 m截面)

水流流場中垂直流速的分布是閘下防沖和消能的一個判斷因素,基于此,圖5給出了9種方案下海漫段流速場的分布情況。可以看出:對于x=7 m的縱向截面,由于流場受到底部護面塊體的影響很小,因此不同方案條件下流場近似一致。其他截面的流場,如24m、46 m、68 m截面,由于受到護面塊體的影響,其近底流速發(fā)生了明顯變化。隨著海漫段設置的四腳空心塊體數量的增多,近底流速逐漸減小,部分方案中近底流速幾乎減小了一半。同時,海漫段x= 68m截面的流速分布顯示:護面塊體的間距越大,流場中流速調整越顯著,如方案5和方案6的情況。

圖6給出了方案9流場中不同橫向截面的豎向流速分布,可以看出,對于x=68 m的截面,靠近海漫段橫向中心位置的流速較大;遠離橫向中心位置,流速逐漸減小。

圖6 方案9中x=68 m截面不同位置的垂向流速

湍流強度是湍流脈運速度與流體平均流速的比值,是衡量湍流強弱的相對指標。圖7給出了y=5 m的截面不同流向位置流場湍流強度的分布。

圖7 沿流向位置流場湍流強度的分布(y=5 m截面)

計算結果顯示:隨著護面塊體排數的增加,水流的紊流強度平均值逐漸增大,說明由于護面塊體的增加使得流場的附加切應力增大,消能效率得到提高。采用方案9,即在海漫段布置4排四腳空心塊體能達到較好的消能效果。湍流強度的變化則與近底流速變化趨勢相反。

3.2 海漫段出口截面的流速分布

圖8給出了不同方案下海漫段出口截面距流場底部0.1 m和0.5 m水平線的流速分布情況?？梢钥闯?流場中越靠近底部,水平線上流速越低。

4 結 論

a.在海漫段布置四腳空心塊體進行加糙時,雖然下游流場截面的平均流速變化不大,但它對海漫段近底流速影響較大,起到了調整海漫下游流速分布,降低海漫段近底流速的目的。同時,隨著四腳空心塊體排數的增加,水流的紊流強度平均值增大,消能效應增強,可使海漫段近底流速降低近50％。

b.海漫段設置四腳空心塊體數量越多,增加糙率的效果越顯著?；谖闹械臄抵的M,在海漫段布置4排四腳空心塊體能達到較好的消能效果,即采取方案9:在距離海漫段入口距離13 m處布置2排交錯排列的四腳空心塊體,在35m和57m處各布置1排四腳空心塊體的方案。

c.四腳空心塊體排列的間距影響近底部流速的分布。堆塊間距的減小有利于增大底部的粗糙率和壅高水位,但是對減小護灘段下游的近底流速作用不顯著。

圖8 橫向不同水平線上的流速分布

[1]任會.海漫加糙對消能防沖影響機理的研究[D].呼和浩特:內蒙古農業(yè)大學,2002.

[2]于慶峰.海漫加糙影響下水流垂向二維數值模擬[D].呼和浩特:內蒙古農業(yè)大學,2006.

[3]郭憲艷,馮碩.平原地區(qū)水閘消能防沖設計探討[J].中國水運,2011,11(3):144-145.(GUO Xianyan,FENG Shuo.Design of sluice energy dissipation in plain areas [J].China Water Transport,2011,11(3):144-145.(in Chinese))[4]韓昌海,楊宇,駱少澤.青草沙水庫下游水閘沖刷及輔助消能研究[J].水利水電技術,2011,42(3):49-52. (HAN Haichang,YANG Yu,LUO Shaoze.Study on scouring and supplementary energy dissipation for sluice on lower reach of Qingcaosha Reservoir[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2011,42(3):49-52.(in Chinese))

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[7]王旺盛.海漫柔性加糙設計方法的研究與防沖效果的研究[D].呼和浩特:內蒙古農業(yè)大學,2005.

[8]吳修廣,沈永明,王敏,等.非靜壓假定的σ坐標下垂向二維淺水模型的應用研究[J].水力發(fā)電學報,2005,24 (1):93-97.(WU Xiuguang,SHENG Yongming,WANG Min,et al.Research on the vertical 2-D modeling of shallow water inσcoordinates with non-hydrostatic pressure assumption[J].Journal of Hydroelectric Engineering, 2005,24(1):93-97.(in Chinese))

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Numerical simulation of energy dissipation effects of aprons for sluices of Qingcaosha Reservoir

//ZHAI Mengbin, JU Wei,DING Jue,LI Xiaowei(Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics,Shanghai University,Shanghai200072,China)

Based on Reynolds-averaged Navier-Stokes equations(RANS),a standardk-εturbulent model,fluid mechanics theories,and the SIMPLE scheme,the motion characteristics and scouring effects of the downstream water of a sluice were analyzed numerically with large drainage discharge to further improve the drainage capability of the Qingcaosha Reservoir. The results show that four-legged rocks positioned on the roughened apron can be used to adjust the distribution of near bed velocity,and to decrease near bed velocity of aprons.The more four-legged rocks there are,the better the roughening effects are.From the viewpoint of the project’s economy,the scheme,in which two rows of four-legged blocks are settled 13 m from the inlet of the apron,and rows of four-legged blocks are settled 35 m and 57 m,respectively,from the inlet, can have the best energy dissipation effect.Moreover,a decrease of rock spacing can increase the roughness of the bottom and raise the water level,but does not have much effect on the decrease of the near bed velocity downstream of the beach protection.

apron;energy dissipation effects for sluices;artificial concrete roughened blocks;near bed velocity; turbulence intensity;Qingcaosha Reservoir

10.3880/j.issn.10067647.2013.03.011

TV653+.7

A

10067647(2013)03005004

2012-06-17 編輯:熊水斌)

翟孟斌(1988—),男,上海人,碩士研究生,主要從事流體力學研究。E-mail:bangbin122@shu.edu.cn

丁玨(1973—),女,江西南昌人,副研究員,博士,主要從事環(huán)境力學研究。E-mail:dingjue_lu@shu.edu.cn