深隧入流綜合設(shè)施水力特性CFD數(shù)值模擬研究

王希晨，張 健，施 偉，夏臣智

(1.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210019；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

近些年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)、城市化的快速發(fā)展，全球氣候變化影響下的暴雨等極端天氣頻繁發(fā)生，突發(fā)性強(qiáng)降雨對城市排水系統(tǒng)提出了更高的要求。城市內(nèi)澇問題已成為阻礙我國城市化進(jìn)程中的一大難題。深層隧道排水調(diào)蓄系統(tǒng)(簡稱深隧系統(tǒng))工程，作為海綿城市建設(shè)中一種新型戰(zhàn)略措施，能有效緩解大型城市用地緊張、建筑密集、淺層地下空間飽和與突發(fā)性強(qiáng)降雨對城市排水系統(tǒng)要求高之間的矛盾。為了提高城市防洪排澇的能力，針對中心城區(qū)地面硬化率高、建筑密度大、地下各市政管線錯綜復(fù)雜、人口密集、防汛壓力大等特點，美國芝加哥、日本東京、英國泰晤士、法國巴黎及墨西哥、新加坡等地規(guī)劃建設(shè)了深隧系統(tǒng)工程。近年來，我國的廣州、上海、武漢、成都、重慶等城市已開始規(guī)劃建設(shè)中心城區(qū)深層隧道調(diào)蓄系統(tǒng)工程。深層隧道調(diào)蓄系統(tǒng)工程中，雨水從地下淺層排水管道經(jīng)豎井消能后輸送至深層主隧；在淺層排水管道出口至豎井進(jìn)口之間通常布置包含攔污柵、沉砂池等綜合設(shè)施構(gòu)成入流系統(tǒng)，其出水流態(tài)直接影響到后續(xù)表-深銜接系統(tǒng)和主隧系統(tǒng)內(nèi)水流形態(tài)。因此，對入流綜合設(shè)施水力特性進(jìn)行研究，對于深層隧道調(diào)蓄系統(tǒng)工程設(shè)計和運行工況控制都至關(guān)重要。研究深隧系統(tǒng)工程的水力學(xué)問題可以采用數(shù)值模擬和物理模型試驗等多種手段。計算流體動力學(xué)(CFD)三維數(shù)值方法不受試驗條件的限制，對于模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)流場中的流態(tài)具有明顯優(yōu)勢。國內(nèi)外許多學(xué)者采用CFD方法對各種結(jié)構(gòu)形式的水工建筑物流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究，驗證了該方法的可行性。例如：成立等對泵站進(jìn)水池內(nèi)部流態(tài)和各斷面速度分布規(guī)律進(jìn)行了模擬研究；于永海等對側(cè)向引水及進(jìn)水泵站進(jìn)水側(cè)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬；俞龍祥通過建立CFD模型對某泵站進(jìn)水池吸水管口安裝與淹沒深度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；張亞等采用CFD方法對梁寨閘站泵裝置流道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計；張志彪等用三維數(shù)值模擬軟件對立式軸流泵直管式出水流道設(shè)計方案進(jìn)行了CFD水力設(shè)計研究；楊寧等基于CFD對鄭集東站方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。然而，國際上對于深隧排水調(diào)蓄工程的水力學(xué)問題研究甚少，國內(nèi)深隧工程規(guī)劃建設(shè)剛剛起步，相關(guān)研究更是稀缺，不同的深層排水調(diào)蓄系統(tǒng)又有著各自的工程特性，難以直接借鑒。對于深隧系統(tǒng)工程入流綜合設(shè)施的水力特性目前尚缺乏相關(guān)研究，本文主要采用CFD三維數(shù)值模擬手段，對一種典型深隧入流綜合設(shè)施結(jié)構(gòu)在不同進(jìn)水流量下的水力特性進(jìn)行研究，旨在為深隧入流綜合設(shè)施結(jié)構(gòu)布置方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 模型建立與研究方案

以國內(nèi)某地區(qū)擬建的深隧系統(tǒng)工程為例，按其深隧入流綜合設(shè)施工藝設(shè)計圖建立三維數(shù)值模型。模型幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含一個入流進(jìn)口、淺層排水管道尾段、三個前室、三個沉砂池、后室、引水渠、和兩個出水口(即豎井進(jìn)口)；其中綜合設(shè)施進(jìn)口(即淺層排水管道尾段)直徑為6m，引水渠末端用分隔板將流道分割，通向雙螺旋式豎井的兩個進(jìn)口，每條流道寬8m,高8.5m；每個沉砂池前端連接兩個內(nèi)置攔污格柵的進(jìn)水道，底部布置1m深的沉砂坑，后端花墻上等距布置若干1m×1m的出水孔。模型的坐標(biāo)軸原點設(shè)在入流進(jìn)口中心，整個模型長62.4m、寬70.8m、高11.5m。模型忽略了格柵、沉砂坑對于流道流量分配和流場均勻性的影響，對攔污格柵、沉砂池沉砂坑等局部工藝進(jìn)行了合理簡化。

圖1 深隧入流綜合設(shè)施模型結(jié)構(gòu)示意圖

深隧入流綜合設(shè)施三維模型中，水流自淺層排水管道進(jìn)入綜合設(shè)施內(nèi)部，流經(jīng)三個前室，由底部進(jìn)入六個進(jìn)水道，經(jīng)攔污格柵后進(jìn)入三個沉砂池，沉砂后通過花墻進(jìn)入后室，自后室上端三個出流洞跌至引水渠內(nèi)，經(jīng)彎道導(dǎo)流后由分流板分成兩股水流，分別跌入豎井的兩個進(jìn)口(引水渠出口與豎井進(jìn)口存在高程差)。深隧入流綜合設(shè)施進(jìn)口設(shè)為質(zhì)量流量進(jìn)口邊界，所建立的綜合設(shè)施模型已包含了豎井局部段、即從豎井進(jìn)口至第一級臺階部分，豎井的進(jìn)口位置應(yīng)位于引水渠彎道后端，而綜合設(shè)施出口實際為豎井內(nèi)部第一級臺階末端截面、為自由跌落水流，故將出口邊界設(shè)為壓力明渠出口、自由液面高度低于出口底高程，以模擬水流自引水渠進(jìn)入豎井后沿臺階自由跌落。綜合設(shè)施頂部均設(shè)有通道聯(lián)通大氣，故將模型頂部設(shè)為大氣壓力邊界；并對三個前室頂高程進(jìn)行了適當(dāng)加高，以防水流自頂部溢出、造成進(jìn)出口流量不平衡；其余外部邊界均設(shè)為光滑壁面。為便于分析計算，將模型坐標(biāo)原點設(shè)在豎井中心線上，Z軸向上為正。

綜合設(shè)施流場內(nèi)為水氣兩相自由液面流動，采用VOF方法對水氣交界面進(jìn)行追蹤；將空氣視為主相、液態(tài)水視為第二相，兩相均視作不可壓縮流體且相間的質(zhì)量及熱量交換， 均忽略不計。湍流模型選擇Realizable k-ε模型，采用壁面函數(shù)法模擬近壁面區(qū)域流動，并基于壓力求解器對速度壓力場進(jìn)行兩步修正的PISO算法。湍流方程、VOF方程和動量方程分別采用一階迎風(fēng)格式、具有三階精度的QUICK格式及二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。

基于Auto CAD軟件建立綜合設(shè)施三維數(shù)值模擬模型，借助Gambit軟件對模型進(jìn)行計算網(wǎng)格劃分。經(jīng)試算，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)在170萬以上時，綜合設(shè)施三維數(shù)值模擬結(jié)果隨網(wǎng)格數(shù)變化較小、通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證。綜合考慮流場模擬精度與計算效率間的平衡性，采用網(wǎng)格數(shù)為2127947的計算模型。

分別以20m3/s、40m3/s、60m3/s、80m3/s的進(jìn)水流量共建立4個研究方案，對不同流量下綜合設(shè)施水力特性進(jìn)行研究，從整體和局部流態(tài)、壓力分布、各流道流量分配、沉砂池流場均勻度四個方面對綜合設(shè)施的流場模擬結(jié)果進(jìn)行分析，研究綜合設(shè)施在不同進(jìn)水流量下的基本流態(tài)和進(jìn)水流量對綜合設(shè)施流場均勻度與穩(wěn)定性的影響、以及綜合設(shè)施結(jié)構(gòu)布置方案在不同流量下能否充分發(fā)揮攔污沉砂和平穩(wěn)出流作用的探討。

2 整體流態(tài)

如圖2—3所示為綜合設(shè)施不同流量下的三維流場水氣分布(水體積分?jǐn)?shù)0.5以上默認(rèn)為氣體、圖上不顯示)和壓力分布圖。由圖2可知，流量從20m3/s到80m3/s，綜合設(shè)施內(nèi)水位隨著流量升高而增加，但水流整體形態(tài)基本相似：水流自淺層排水管道進(jìn)入綜合設(shè)施，經(jīng)攔污格柵攔截后進(jìn)入沉砂池，沉砂后自由拋物線跌落至引水渠，經(jīng)彎道導(dǎo)流由分流板分流成兩股水流后跌入豎井；整個綜合設(shè)施均處于明流狀態(tài)。前室、沉砂池、后室部分水面較為平穩(wěn)，引水渠前段受后室上端出流影響水面起伏較大，但引水渠后段經(jīng)彎道導(dǎo)流后水面較為平穩(wěn)；分流板分流后，水流撞擊豎井內(nèi)壁造成局部水面輕微雍高。由圖3可知，壓力隨流量變化較小，無極端高壓、負(fù)壓出現(xiàn)，壓力分布較為均衡；隨著進(jìn)口流量增加，水位上升，綜合設(shè)施底部壓力增大，頂部連通大氣、壓力變化較小。

圖2 綜合設(shè)施不同流量下三維水氣體積分?jǐn)?shù)云圖

圖3 綜合設(shè)施不同流量下三維壓力分布云圖

分別提取綜合設(shè)施在四個進(jìn)水流量下三個前室、三個沉砂池和后室的平均水位(取水體積分?jǐn)?shù)值為0.5的等值面視為水氣交界面)，見表1。由表1可知，在不同流量下綜合設(shè)施從前室1開始至后室均呈現(xiàn)出不同程度的水位下降趨勢，即從進(jìn)口至出口水位逐漸降低。在低流量時各室水位差異較小，隨著流量增加各室水位逐漸上升且水位差增大。不同流量下的三個沉砂池水位基本接近。

表1 不同流量下綜合設(shè)施各室平均水位

綜合以上對綜合設(shè)施在不同流量下的整體流態(tài)分析可知：

(1)不同流量下綜合設(shè)施整體流態(tài)基本相似：

整個綜合設(shè)施均處于明流狀態(tài)，從進(jìn)口至出口各室水位呈逐漸降低趨勢，三個沉砂池之間水位接近，引水渠末端出流平穩(wěn)；整體流場壓力分布較為均衡，無極端高壓、負(fù)壓出現(xiàn)，引水渠前段壁面受出后室出流沖擊存在三個相對高壓區(qū)。

(2)隨著進(jìn)口流量增大，綜合設(shè)施內(nèi)各室水位逐漸升高、水位差異增大，引水渠前段三個相對高壓區(qū)面積擴(kuò)大、壓力增加，但綜合設(shè)施整體壓力隨流量變化較小。

3 斷面流量分配均勻度

對不同流量下綜合設(shè)施中包括水流攔污格柵進(jìn)口、沉沙池出口、引水渠道出口等主要斷面的各流道流量分配均勻度進(jìn)行研究，分別提取斷面上所有流道流量，計算某一流道流量占所有流道總流量的比例。提取的斷面包括：前室1的3個出口斷面、6個格柵進(jìn)口斷面(即沉砂池進(jìn)水道的進(jìn)口)、3個沉砂池出口斷面(花墻入口)、后室的3個出口斷面以及引水渠至豎井的2個出口斷面。經(jīng)計算，各斷面上流量占整體流道流量比例結(jié)果見表2。在20m3/s 的進(jìn)水流量條件下，綜合設(shè)施前室至后室段水流分配均勻度較低，前室1的出口斷面處中間出水口流量明顯高于兩側(cè)、占總流道流量的70%左右；經(jīng)前室2、3內(nèi)重新分配后，格柵進(jìn)口斷面處各進(jìn)口流量從兩邊外側(cè)向內(nèi)逐漸降低、其中中間兩個進(jìn)口流量之和約占總流道的四分之一；沉砂池出口斷面水流分配情況與格柵進(jìn)口處相對應(yīng)；水流在后室中匯集、重新分配，后室出口處水流流量分配較為均勻，各自約占三分之一；引水渠導(dǎo)流后，分流板將水流分為均勻兩股流出。進(jìn)水流量分別為40m3/s、60m3/s、80m3/s時，各斷面水流分配情況較為相似：前室1出口處中間流道流量占比較高、超過40%；三個沉砂池進(jìn)出口流量均勻度較

表2 不同進(jìn)水流量下主要過流斷面流量分配百分比

20m3/s 的情況下明顯提高，沉砂池3(即遠(yuǎn)離豎井側(cè))的進(jìn)出流量略高于其他兩個沉砂池；后室出口斷面及引水渠出口斷面各流道分配均勻度較高。

由此可知，不同進(jìn)口流量下，綜合設(shè)施前段流道流量分配均勻度較低，但經(jīng)綜合設(shè)施重新分配后各流道流量逐漸趨于均勻；在較大流量時(40m3/s、60m3/s、80m3/s)，綜合設(shè)施各流道流量分配均勻度幾乎不受進(jìn)水流量的影響；在低進(jìn)口流量時(20m3/s)，綜合設(shè)施前段流道流量分配均勻度明顯降低，且越靠近進(jìn)口、流道流量分配越不均勻。

4 沉砂池流場均勻度

為研究綜合設(shè)施沉砂池在不同流量下的沉砂效果，對沉砂池流場均勻度進(jìn)行分析。做出綜合設(shè)施在不同進(jìn)口流量下的流線圖，流線顏色用流速表示，如圖4所示。

由圖4可知，不同流量下，前室流線紊亂、存在不同程度的渦旋，進(jìn)入沉砂池后流線逐漸平穩(wěn)、流速顯著降低，引水渠前段受后室出口跌流影響流線擾動明顯、后段彎道至出口流線平穩(wěn)順暢。在20m3/s的進(jìn)水流量時，沉砂池流線均較順暢，但由上節(jié)分析已知，低流量時中間沉砂池的進(jìn)水流量分配略低，故而該沉砂池內(nèi)流線出現(xiàn)略向兩側(cè)彎曲形態(tài)。進(jìn)水流量40m3/s時，沉砂池進(jìn)口各流道流量分配均勻，此時三個沉砂池流線形態(tài)較為接近。隨著進(jìn)水流量加大，60m3/s時沉砂池上層流線出現(xiàn)擾動彎曲，到80m3/s時出現(xiàn)明顯的水平較大渦旋，但下層流線較為平穩(wěn)，整個沉砂池流速較低。

圖4 綜合設(shè)施不同流量下流線圖

為更好說明沉砂池流場的水流流速均勻程度，對水流的垂向速度分布進(jìn)行分析。在位置分別為X=4、12、20m的沉砂池沿水流方向的三個截面上(分別編號為m=1、2、3)，沿Y方向每隔1.5m提取一條垂線共提取7條垂線(分別編號為n=1、2、3、4、5、6、7)垂線編號為m-n：其中m表示沉砂池截面位置編號，n表示垂線位置編號)，分別計算垂線上的水流速度平均值，計算結(jié)果如圖5所示。

由圖5分析可知：進(jìn)水流量為20m3/s時，沉砂池整體平均流速較低且均勻度高；進(jìn)水流量增加至40m3/s時，沉砂池整體平均流速略有提高但分布均勻度輕微降低，其中兩側(cè)沉砂池靠近內(nèi)側(cè)入口處流速增加明顯；進(jìn)水流量為60m3/s時，沉砂池平均流速繼續(xù)增加、均勻度降低明顯，中、后段流速分布接近，三個沉砂池垂向平均流速曲線成近似馬鞍形分布，即兩側(cè)略高、中間略低；進(jìn)水流量達(dá)到80m3/s時，整體流速繼續(xù)升高但基本在1m/s以內(nèi)，前中后三處流速曲線較為混亂、流場不均勻度下降。

圖5 不同進(jìn)水流量下沉砂池垂線平均速度曲線圖

綜上所述，在低進(jìn)水流量時沉砂池流速較低、均勻度較高、沉砂效果較好；隨著進(jìn)水流量增加，沉砂池流速增加，均勻度略有下降、沉砂效果隨之下降；但不同流量下的沉砂池整體流速較小、基本低于1m/s。

5 結(jié)語

本文采用三維數(shù)值模擬手段對深層隧道調(diào)蓄系統(tǒng)工程的一種典型綜合設(shè)施結(jié)構(gòu)在不同進(jìn)水流量下的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對綜合設(shè)施的流場流態(tài)、流量分配、流場均勻度等進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

(1)綜合設(shè)施在不同進(jìn)水流量下的基本流態(tài)相似：整個流場均處于明流狀態(tài)，壓力分布較為均衡，無極端高壓、負(fù)壓出現(xiàn)；沉砂池及前后室水面平穩(wěn)；引水渠前段受后室出水沖擊影響水面起伏較大、后段出流平穩(wěn)，引水渠內(nèi)后室出流洞對側(cè)壁面與底面交界處存在局部高壓區(qū)。進(jìn)水流量增大時，綜合設(shè)施各處水位升高，后室出流對引水渠沖擊壓力增加，但綜合設(shè)施整體流場壓力變化較小。

(2)不同流量下，綜合設(shè)施前段流道流量分配均勻度較低，但綜合設(shè)施能夠發(fā)揮均勻流道流量的作用，能夠為豎井提供平穩(wěn)均勻出流。進(jìn)口流量對綜合設(shè)施流道流量分配均勻度影響較小，但低流量時前室流道流量分配均勻度略有降低。

(3)沉砂池流場均勻度受進(jìn)水流量影響較小。在低流量時，沉砂池流速較低、均勻度較高、沉砂效果較好；隨著流量增加，沉砂池均勻度有所下降、沉砂效果略有下降。

本文僅對深隧綜合設(shè)施的水力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析，還需要對深層隧道排水調(diào)蓄系統(tǒng)工程的入流系統(tǒng)、表-深銜接系統(tǒng)和主隧系統(tǒng)等的水力特性進(jìn)行深入研究，為深層隧道排水調(diào)蓄系統(tǒng)工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。