平原河網(wǎng)地區(qū)泵閘樞紐流態(tài)精細(xì)化數(shù)值模擬

陸 倩

(1.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061； 2.上海市水務(wù)局防汛減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，上海 200061)

數(shù)值模擬、理論分析和模型試驗(yàn)是推進(jìn)水力學(xué)發(fā)展和解決各種工程實(shí)際問(wèn)題的3種主要研究方法[1-2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)值模擬計(jì)算在工程設(shè)計(jì)中具有較大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展空間，然而要使其能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)提供短周期、高質(zhì)量的分析設(shè)計(jì)依據(jù)，則需要數(shù)值模擬成果具有實(shí)用性、可靠性和準(zhǔn)確性。

泵閘下泄水流具有明顯的三維特性，常規(guī)的一維和平面二維模型無(wú)法精確模擬其復(fù)雜的三維流態(tài)，隨著工程技術(shù)要求的提升，使用三維數(shù)值模擬技術(shù)研究泵閘流態(tài)已逐漸成為主流[3-6]，目前水利工程中常用的三維數(shù)值模擬軟件有MIKE3、Delft3D、Fluent和FLOW-3D等，其中MIKE3和Delft3D為準(zhǔn)三維模擬軟件，F(xiàn)luent和FLOW-3D為仿真三維模擬軟件[7]。

平原河網(wǎng)地區(qū)河湖密布，交織成網(wǎng)，通常采取分片控制的治水方針，泵閘作為水利分片治理工程的重要組成部分，主要承擔(dān)排澇功能，兼顧引水和水資源調(diào)度等綜合功能[8-9]。上海市浦東新區(qū)是典型的感潮平原河網(wǎng)地區(qū)，本文以浦東新區(qū)擬建的趙家溝東泵閘工程為研究對(duì)象，分別采用準(zhǔn)三維MIKE3和仿真三維FLOW-3D兩種三維數(shù)值模擬軟件，對(duì)樞紐下泄水流流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，并根據(jù)已有的平面二維MIKE21模擬結(jié)果和物理模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)兩種軟件三維水動(dòng)力數(shù)值模擬結(jié)果的合理性進(jìn)行分析比較，以期為類似水利工程的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

擬建的趙家溝東泵閘工程位于上海市浦東新區(qū)趙家溝入長(zhǎng)江口處，是浦東新區(qū)防洪排澇、水資源調(diào)度和調(diào)節(jié)改善內(nèi)河水質(zhì)的重要口門之一。泵閘主體結(jié)構(gòu)采用“閘+泵+閘”對(duì)稱布置形式，如圖1所示，4臺(tái)斜式軸流泵設(shè)在河道中間，單機(jī)設(shè)計(jì)流量22.50 m3/s，泵站設(shè)計(jì)流量90.00 m3/s；站身長(zhǎng)35.0 m，寬35.4 m；水閘對(duì)稱布置在泵站兩側(cè)，閘首長(zhǎng)35.0 m，兩側(cè)為單孔閘門，凈寬15.0 m，閘門總凈寬30.0 m，閘底板高程-1.0 m(吳淞基面，下同)。泵閘工程主體結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)360.0 m，縱向從內(nèi)到外分別由內(nèi)河防沖槽、內(nèi)河海漫段、進(jìn)水前池及進(jìn)水池、站身閘首、消力池、外河海漫段及外河防沖槽等組成，內(nèi)外河海漫段河道底寬分別為130.0 m和80.0 m。

圖1 趙家溝東泵閘工程示意圖(單位：m)

2 研究方法

2.1 基本控制方程

MIKE3和FLOW-3D的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)都是Navier-Stokes方程，不同的是在連續(xù)方程和動(dòng)量守恒方程中，MIKE3考慮了紊流影響和密度變化，F(xiàn)LOW-3D加入了面積分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)參數(shù)。

a.MIKE3 Navier-Stokes方程表達(dá)式[10]為

(1)

(2)

(3)

式中：u、v、w分別為x、y、z方向的流速；S為源(匯)流量；t為時(shí)間；f為科氏力系數(shù)；η為水位；h為總水深；ρ0、ρ分別為空氣和水的密度；pa為大氣壓；g為重力加速度；Sxx、Sxy、Syx、Syy為分散應(yīng)力張量的分量；Fu、Fv為水平應(yīng)力分量；vt為垂向渦黏系數(shù)；uS、vS分別為x、y方向的源(匯)流速分量。

b.FLOW-3D Navier-Stokes方程表達(dá)式[11]為

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Sx、Sy、Sz分別為x、y、z方向的可流動(dòng)面積分?jǐn)?shù)；Vi為可流動(dòng)體積分?jǐn)?shù)；p為壓強(qiáng)；gx、gy、gz分別x、y、z方向的重力加速度；fx、fy、fz分別為x、y、z方向的黏滯力。

2.2 模型建立

a.MIKE3。采用MIKE3 Flow Model建模計(jì)算，模型總長(zhǎng)約600 m，寬約160 m。三維模型在平面上采用三角形與四邊形混合網(wǎng)格對(duì)泵閘樞紐進(jìn)行詳細(xì)刻畫，單元格最小邊長(zhǎng)約0.5 m；在垂向上采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，應(yīng)用Sigma/z值混合網(wǎng)格類型進(jìn)行設(shè)置，在自由表面至-0.6 m水位之間采用Sigma坐標(biāo)的均勻分層模式分為5層，各層沿水深均勻分布，-0.6 m水位以下采用z值絕對(duì)坐標(biāo)的等距分層模式，層距設(shè)為0.4 m。模型平面網(wǎng)格及地形如圖2(a)所示，泵閘樞紐局部垂向網(wǎng)格劃分如圖2(b)所示。

圖2 泵閘準(zhǔn)三維模型

b.FLOW-3D。采用BIM建模方法，應(yīng)用Bently公司的MicroStation軟件進(jìn)行三維建模，模型范圍與MIKE3相同，導(dǎo)出中間格式文件(.stl)，用于仿真數(shù)值模擬的前處理階段，建立的泵閘仿真三維模型如圖3所示。FLOW-3D采用結(jié)構(gòu)化正交網(wǎng)格，單元尺寸為1.0 m×0.5 m×0.4 m。

圖3 泵閘仿真三維模型

2.3 計(jì)算工況

趙家溝東泵閘工程的主要功能為排澇和引水，最大設(shè)計(jì)流量分為285.00 m3/ s和184.00 m3/s，因此在水閘排澇工況下的流量和流速最大，本文計(jì)算工況取水閘排澇工況：過(guò)閘流量取最大排澇流量285.00 m3/s，內(nèi)河水位為最高控制水位3.75 m，外海潮位為平均低潮位0.87 m。

3 模擬結(jié)果與分析

在趙家溝東泵閘新建工程可行性研究階段，上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司采用MIKE21對(duì)泵閘不同平面布置方案、內(nèi)河通航水流條件及工程建設(shè)影響等進(jìn)行了模擬論證[12]，同時(shí)，上海河口海岸科學(xué)研究中心為驗(yàn)證趙家溝東泵閘工程總體布置的合理性進(jìn)行了水工整體模型試驗(yàn)[13]。下文根據(jù)已有的平面二維MIKE21模擬結(jié)果和物理模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)MIKE3和FLOW-3D兩種軟件三維水動(dòng)力數(shù)值模擬結(jié)果的合理性進(jìn)行分析比較。

3.1 總體流態(tài)比較

MIKE3模擬的泵閘樞紐附近流場(chǎng)和流速等值線分布如圖4所示，兩側(cè)閘下水流沿水閘中心線逐漸擴(kuò)散至整個(gè)河道，泵站下游局部范圍出現(xiàn)回流區(qū)，其流場(chǎng)與MIKE21模擬得到的流場(chǎng)[12]相似。

圖4 MIKE3模擬的流場(chǎng)和流速等值線分布

FLOW-3D模擬的流場(chǎng)如圖5所示，可以直觀地看到水面向下游推進(jìn)的過(guò)程及過(guò)程中產(chǎn)生的波紋、沿程水跌水躍、水面的高低變化、回流區(qū)的漩渦和渦流場(chǎng)等。當(dāng)流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，兩側(cè)閘下水流左右交替，出現(xiàn)渦流場(chǎng)(圖6(a))，這與物理模型試驗(yàn)得到的流場(chǎng)(圖6(b)，通過(guò)模型中布置的24條測(cè)流斷面，共計(jì)114個(gè)測(cè)點(diǎn)取得)相似，在樞紐下游出現(xiàn)一串流速等值線閉合圈，而MIKE3未能模擬出這種渦流現(xiàn)象(圖4(b))。

圖5 FLOW-3D模擬的流場(chǎng)

圖6 流速等值線分布

3.2 垂線平均流速比較

在閘下布置一條150 m長(zhǎng)的參考斷面(圖2(a)中CS2)，在參考斷面沿程每隔1 m取垂線平均流速值，MIKE21、MIKE3和FLOW-3D參考斷面沿程垂線平均流速模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 參考斷面沿程垂線平均流速比較

從垂線二維平均流速沿程分布形態(tài)上看，MIKE21與MIKE3模擬結(jié)果分布形態(tài)比較接近，F(xiàn)LOW-3D與MIKE21、MIKE3模擬結(jié)果在近閘10 m內(nèi)及閘下40 m以外差異較明顯，距閘10～40 m段分布形態(tài)較接近。從流速大小上看，在閘下(距閘約5 m)出現(xiàn)最大流速，MIKE21、MIKE3、FLOW-3D模擬得到的最大流速分別約為8.2 m/s、7.2 m/s和8.3 m/s，MIKE21模擬得到的最大流速與FLOW-3D模擬結(jié)果接近，MIKE3模擬結(jié)果最??；閘下10～40 m，MIKE3模擬流速最大，MIKE21模擬流速最小，F(xiàn)LOW-3D模擬流速介于兩者之間；閘下40 m以外，MIKE3模擬流速與MIKE21模擬流速逐漸接近，F(xiàn)LOW-3D模擬流速在MIKE21和MIKE3模擬流速線上下波動(dòng)。

3.3 近底流速和斷面三維流速比較

圖8為MIKE3、FLOW-3D和物理模型試驗(yàn)參考斷面沿程近底流速模擬結(jié)果的比較(距底部20 cm，物理模型試驗(yàn)僅給出了閘下0～70 m的近底流速值)。

圖8 參考斷面沿程近底流速比較

MIKE3模擬的近底流速分布在閘下0～30 m范圍，與物理模型試驗(yàn)和FLOW-3D模擬結(jié)果差別較大，其流速線形態(tài)仍與垂線平均流速線分布形態(tài)(圖7)相似，閘下40～70 m模擬的流速與物理模型試驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值上較接近，閘下70～150 m模擬的流速與FLOW-3D模擬結(jié)果在數(shù)值上較接近。

FLOW-3D模擬的近底流速分布在閘下0～30 m范圍，流速大小和流速線分布形態(tài)與物理模型試驗(yàn)結(jié)果較接近。由于數(shù)學(xué)模型模擬范圍和水動(dòng)力邊界條件等與物理模型存在差異，因此閘下30～70 m流速線形態(tài)與物理模型試驗(yàn)結(jié)果存在差異，需后期進(jìn)一步率定驗(yàn)證。閘下70～150 m FLOW-3D近底流速模擬結(jié)果在MIKE3模擬結(jié)果線上下波動(dòng)。

MIKE3和FLOW-3D參考斷面三維流速分布模擬結(jié)果如圖9所示，可以直觀地看到兩者在三維流態(tài)模擬上的差異，尤其在閘下0～30 m的消力池內(nèi)，F(xiàn)LOW-3D三維流速模擬結(jié)果更加精細(xì)合理，可以清楚地看到下泄水流在進(jìn)出消力池時(shí)的水跌和水躍過(guò)程，而MIKE3模擬的流態(tài)有些失真。

圖9 參考斷面三維流速分布

4 結(jié) 論

a.從總體流態(tài)來(lái)看，MIKE3與MIKE21模擬的流態(tài)相似，均未能模擬出閘下的渦流場(chǎng)。FLOW-3D模擬結(jié)果更加逼真精細(xì)，可以直觀地看到水流向下游推進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的波紋、沿程水跌水躍、水面的高低變化、回流區(qū)的漩渦和渦流場(chǎng)等，模擬的流態(tài)與物理模型試驗(yàn)流態(tài)接近。

b.從參考斷面垂線平均流速沿程分布來(lái)看，MIKE3與MIKE21模擬的沿程分布形態(tài)較接近，F(xiàn)LOW-3D與MIKE21、MIKE3在近閘40 m以內(nèi)較接近，距閘40 m以外差異較明顯。MIKE21模擬的出閘最大流速與FLOW-3D模擬結(jié)果接近，MIKE3模擬結(jié)果最??；閘下10～40 m，F(xiàn)LOW-3D模擬流速介于MIKE3與MIKE21模擬流速之間；閘下40 m以外MIKE3模擬流速與MIKE21模擬流速逐漸接近，F(xiàn)LOW-3D模擬流速在MIKE21和MIKE3模擬流速線上下波動(dòng)。

c.從參考斷面近底流速來(lái)看，閘下0～30 m消力池內(nèi)，MIKE3模擬的近底流速分布與物理模型試驗(yàn)和FLOW-3D模擬結(jié)果差別較大，其流速線形態(tài)仍與垂線平均流速線分布形態(tài)相似。FLOW-3D模擬的近底流速分布和大小與物理模型試驗(yàn)結(jié)果接近。

d.從參考斷面三維流速分布來(lái)看，可以直觀地看到MIKE3和FLOW-3D在三維流態(tài)模擬上的差異，尤其在閘下0～30 m的消力池內(nèi)，F(xiàn)LOW-3D模擬結(jié)果更加精細(xì)合理，可以直觀地看到下泄水流在進(jìn)出消力池時(shí)的水跌和水躍過(guò)程，而MIKE3模擬的流態(tài)有些失真。

e.在具有明顯三維水流特性的泵閘流態(tài)模擬中，準(zhǔn)三維MIKE3無(wú)法滿足流態(tài)精細(xì)化模擬的需求，其模擬結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果存在差別，而仍與平面二維MIKE21模擬結(jié)果類似。仿真三維FLOW-3D模擬結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果接近，更加精細(xì)合理，可應(yīng)用于類似水利工程設(shè)計(jì)中流態(tài)的精細(xì)化數(shù)值模擬。