折板式豎井折板間隔對(duì)水流水力特性影響分析

孫迎霞，薛英文，梁舒豪

[1.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092；2.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；3.湖北省城市綜合防災(zāi)與消防救援工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430072；4.湖南省建筑設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410011]

0 引 言

折板式豎井[1]，一種常用于深隧[2]工程的水工消能構(gòu)筑物，可以將市政排水系統(tǒng)中的雨、污水或合流污水轉(zhuǎn)輸?shù)剿淼乐?。這類(lèi)豎井的主體結(jié)構(gòu)[1]通常分成兩部分，一部分設(shè)置縱橫交錯(cuò)的折板，使進(jìn)入到豎井內(nèi)的水流撞擊在折板或邊壁上，隨后經(jīng)過(guò)往復(fù)跌落到豎井底部，即“濕室”，另一部分不通過(guò)水流，即“干室”，兩部分設(shè)置通氣孔連接。折板式豎井構(gòu)造簡(jiǎn)單，不易受到空化的影響，不必設(shè)置特殊的進(jìn)出口通道，且消能效果也較好，故在國(guó)內(nèi)外排水深隧中得到較多的應(yīng)用[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)折板式豎井的相關(guān)研究還非常少。王志剛等[4]對(duì)折板式豎井內(nèi)水流流態(tài)以及折板功能進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)折板式豎井的水流典型流態(tài)可分為往復(fù)跌水流和S型貼壁流，且不同層折板的主要功能有所側(cè)重，首層折板能調(diào)節(jié)水流，中間折板能消能，水下折板則是消能和將氣體從隧道內(nèi)排出；ODGAARD A J等[1]、MARGEVICIUS A等[5]、STIRRUP M等[6]、王斌[3]等對(duì)豎井穩(wěn)定運(yùn)行工況以及豎井能安全通過(guò)的最大流量進(jìn)行研究，得到了穩(wěn)定過(guò)流和最大過(guò)流約束條件。ODGAARD A J等[1]對(duì)豎井內(nèi)的煙霧流動(dòng)情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)豎井內(nèi)空氣流動(dòng)緩慢，且對(duì)外所需通氣量較小。李璐等[7]通過(guò)對(duì)折板式豎井進(jìn)行數(shù)值仿真，并通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)模擬計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

本文基于李璐等[7]經(jīng)過(guò)合理驗(yàn)證的數(shù)值模擬參數(shù)，對(duì)3組折板式豎井進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到豎井內(nèi)流態(tài)、壓強(qiáng)、流速以及消能率水力特性參數(shù)的分布情況，并對(duì)折板間隔的影響進(jìn)行分析。

1 豎井結(jié)構(gòu)參數(shù)及物理模型

圖1為某工程中方案設(shè)計(jì)圖紙，設(shè)計(jì)規(guī)模4.07 m3/s。該豎井主要分為兩個(gè)部分，“濕室”和“干室”；“濕室”每隔一段距離設(shè)置折板，水流通過(guò)折板逐級(jí)跌路至底層，最終進(jìn)入到隧道；“干室”通過(guò)通氣孔與“濕室”連通，內(nèi)部不通過(guò)水流，頂板設(shè)有除臭間，滿足通風(fēng)及除臭功能。

圖1 折板式豎井初始方案設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

考慮到折板式豎井內(nèi)可以達(dá)到充分通氣條件，以及本文主要研究點(diǎn)在于“濕室”內(nèi)折板間隔對(duì)水流的影響，故在初始方案的基礎(chǔ)上去掉“干室”部分，并對(duì)豎井內(nèi)的折板間隔、折板長(zhǎng)度、折板寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行局部的優(yōu)化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化后的模型以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別見(jiàn)圖2和表1。

圖2 折板式豎井簡(jiǎn)化示意圖

表1 不同體型豎井參數(shù)表

2 數(shù)學(xué)模型建立

根據(jù)李璐等[7]研究結(jié)果，相較于RNG k-ε模型，紊流模型選用Realizable k-ε模型與實(shí)際模型更為貼合，本研究選用Realizable k-ε模型。相應(yīng)的控制方程組如下：式中：ui、uj為速度分量；ρ為流體密度；xi、xj為軸坐標(biāo)分量；為紊流切應(yīng)力；fi為質(zhì)量力分量；μ為動(dòng)力粘度系數(shù)；k為紊動(dòng)能；ε為紊動(dòng)耗散率；Gk為紊動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)。

本次計(jì)算模型內(nèi)的流場(chǎng)為瞬態(tài)流，同時(shí)選用VOF多相流模型結(jié)合Realizable k-ε模型、PISO算法進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸約0.05~0.2 mm，總數(shù)約115萬(wàn)。對(duì)于求解參數(shù)設(shè)置，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的調(diào)試，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.005~0.01 s，計(jì)算后的結(jié)果采用TECPLOT軟件進(jìn)行后處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 流態(tài)

圖3為S1、S2、S3折板式豎井內(nèi)水流流態(tài)圖。從圖3中可知，隨著折板間隔的增加，從折板邊緣射流而出的水舌水平跌距會(huì)逐漸增大，水舌撞擊點(diǎn)也會(huì)從折板表面轉(zhuǎn)移至邊壁上，這樣豎井內(nèi)水流流態(tài)就會(huì)轉(zhuǎn)變成S型貼壁流。其中，圖3（a）為典型的往復(fù)跌水流流態(tài)，豎井內(nèi)折板共12層，每一層折板間的水流均撞擊在折板上且由于邊壁限制而形成水墊層，隨著水流跌落至豎井底層折板，水流紊動(dòng)越劇烈，水舌水平跌距略有增大；圖3（c）為S型貼壁流流態(tài)，在豎井內(nèi)除第二層折板外，其余折板間射流出的水舌均撞擊在豎井邊壁上，且越到豎井底部，撞擊的位置會(huì)越高；圖3（b）為上述兩種流態(tài)的過(guò)渡狀態(tài)，即過(guò)渡流，理論上豎井內(nèi)水舌應(yīng)一直撞擊在折板與邊壁的交匯處，但實(shí)際并非如此，豎井上部折板間流態(tài)更接近貼壁流，而底部折板間水舌卻是有些撞擊在折板上，有些撞擊在邊壁上。

圖3 折板式豎井初始方案設(shè)計(jì)圖

3.2 壓強(qiáng)

圖4～圖9為S1、S2、S3豎井內(nèi)某些折板上表面或邊壁縱向中心壓強(qiáng)分布圖。從圖4～圖9以及上文流態(tài)分析情況可知，隨著折板間隔的增大，流態(tài)從跌水流轉(zhuǎn)變成貼壁流，豎井內(nèi)壓強(qiáng)分布規(guī)律也發(fā)生較大變化。對(duì)于S1豎井，5#、8#、11#折板及邊壁上時(shí)均壓強(qiáng)曲線較為相似，呈“山峰”型和“邊坡”型曲線分布；從圖中可以發(fā)現(xiàn)，時(shí)均壓強(qiáng)曲線存在兩個(gè)峰值和一個(gè)極小值點(diǎn)，峰值在折板與邊壁交叉點(diǎn)及折板上靠近交叉點(diǎn)1 m左右，極小值在兩者中間。峰值可能是因?yàn)樗飨群笈c折板及邊壁撞擊，從后文流速圖可以發(fā)現(xiàn)，與邊壁撞擊的僅是部分水流，且在兩個(gè)峰值中間折板上形成水墊層。對(duì)于極小值點(diǎn)，可能是折板上水墊層內(nèi)存在漩渦且漩渦轉(zhuǎn)向是沿壁面向上，使得折板上時(shí)均壓強(qiáng)呈下凹趨勢(shì)。對(duì)于S3豎井，與S1剛好相反，折板和邊壁上時(shí)均壓強(qiáng)分別呈“邊坡”型和“山峰”型曲線分布。邊壁上2 m左右的壓強(qiáng)峰值同樣是由于水舌撞擊的結(jié)果，而隨后壓強(qiáng)陡然降低和升高，這可能是因?yàn)檫叡趯?duì)水流產(chǎn)生一個(gè)反向的作用力，致使水流有水平反向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，但由于下跌的流程較短，使得水流并不能脫離壁面，故壓強(qiáng)會(huì)陡然降低，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)壓，之后水流向下撞擊在折板上，使得邊壁凹角附近的壓強(qiáng)陡然增大，其數(shù)值甚至超過(guò)水舌與壁面撞擊處產(chǎn)生的最大壓強(qiáng)。對(duì)于S2豎井，折板和邊壁上時(shí)均壓強(qiáng)均呈“邊坡”型曲線分布，時(shí)均壓強(qiáng)從折板與邊壁交匯處開(kāi)始沿兩側(cè)分別逐漸減小。對(duì)比三組豎井時(shí)均壓強(qiáng)最大峰值，發(fā)現(xiàn)S3豎井接近30 kPa，大于S1豎井，S2豎井最小。至于三組豎井內(nèi)的脈動(dòng)壓強(qiáng)分布情況，應(yīng)與折板或邊壁的時(shí)均壓強(qiáng)分布基本相對(duì)應(yīng)，在水舌撞擊處以及折板與邊壁交匯處的脈動(dòng)壓強(qiáng)較大，S3豎井邊壁上局部位置脈動(dòng)壓強(qiáng)可能大于時(shí)均壓強(qiáng)，產(chǎn)生負(fù)壓。

圖4 S 1豎井折板上表面壓強(qiáng)分布圖（單位:kP a）

圖5 S 2豎井折板上表面壓強(qiáng)分布圖

圖6 S 3豎井折板上表面壓強(qiáng)分布圖

圖7 S 1豎井邊壁壓強(qiáng)分布圖

圖8 S 2豎井邊壁壓強(qiáng)分布圖

圖9 S 3豎井邊壁壓強(qiáng)分布圖

對(duì)三組豎井內(nèi)不同折板或邊壁上時(shí)均壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)水流大約經(jīng)過(guò)6次跌落后，折板或邊壁上的時(shí)均壓強(qiáng)及脈動(dòng)壓強(qiáng)曲線越來(lái)接近，且峰值越來(lái)越小。這可能是因?yàn)榻?jīng)過(guò)約6次跌落后，水流與折板或邊壁反復(fù)撞擊，能量得到很好的消散。

3.3 流速

圖10為S1、S2、S3豎井中心截面上的流速等值線分布圖，圖中數(shù)值單位均為m/s。對(duì)于S1豎井，上層折板上水流流速大約3.5 m/s，經(jīng)過(guò)幾次跌落后，流速略有些增大，但基本穩(wěn)定在2～4 m/s之間。對(duì)于S3豎井，折板上水流從折板邊緣射流并撞擊在邊壁上，隨后與折板凹角沖擊并沿折板滑略而出，整個(gè)過(guò)程中，水流流速先增大后略有減小，對(duì)邊壁以及折板有較大的沖刷作用，且折板邊緣的水流流速往底層跌落有較大程度的增長(zhǎng)，從3.5 m/s快速增大至7 m/s，但之后由于紊動(dòng)以及高速水流與壁面的撞擊使得水股分散從而流速增大減緩；對(duì)于S2豎井，豎井內(nèi)最上面幾層折板水流速度逐漸增大，呈現(xiàn)貼壁流速度分布規(guī)律，而后由于水流劇烈紊動(dòng)，使得折板間呈現(xiàn)類(lèi)似跌水流速度分布規(guī)律，且水流流速有一定程度的減小，但由于折板上水流流量波動(dòng)，有些折板間的流速還是較大。

圖10 S 1、S 2、S 3豎井內(nèi)流速等值線分布圖

3.4 消能率

圖11為S1、S2、S3豎井消能率圖。單一折板間的消能率計(jì)算采取相鄰折板邊緣的出流斷面，多層折板間的消能率計(jì)算采取首層折板與底層折板邊緣的出流斷面。

圖11 S 1、S 2、S 3豎井單一以及多層折板間消能率

由圖11可知，無(wú)論水流流態(tài)為往復(fù)跌水流，還是S型貼壁流，經(jīng)過(guò)3次跌落后，消能率均在80%以上，6次跌落后，達(dá)到了91%以上，最后S1豎井消能率達(dá)到了95%，比S2及S1略高，由此說(shuō)明折板式豎井的消能效果較好。從單一折板間消能率變化情況來(lái)看，三組豎井的消能率均從55%左右整體增大10~25%，其中S1增長(zhǎng)幅度最大，S2次之，而后折線均處于波動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于S1豎井，能量的消耗主要是因?yàn)樗鲗?duì)水墊層和折板的沖擊，對(duì)于S3豎井，主要是水流對(duì)邊壁和折板的沖擊，從壓強(qiáng)及流速的角度來(lái)看，兩種豎井還存在紊動(dòng)消能，其所在比例較小。

4 結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)三組不同折板間隔的豎井進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到豎井內(nèi)水力特性參數(shù)的分布情況，研究表明：

（1）隨著折板間隔的增加，豎井內(nèi)水流流態(tài)可從往復(fù)跌水流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镾型貼壁流。間距最大的S3為貼壁流流態(tài)。

（2）隨著流態(tài)轉(zhuǎn)變成貼壁流，時(shí)均壓強(qiáng)峰值會(huì)有所增大，但無(wú)論哪種流態(tài)，經(jīng)過(guò)幾次跌落后，折板或邊壁上的時(shí)均壓強(qiáng)及脈動(dòng)壓強(qiáng)曲線越來(lái)接近，且峰值越來(lái)越小。對(duì)于S型貼壁流，邊壁上局部位置可能產(chǎn)生負(fù)壓。

（3）三種流態(tài)中，S型貼壁流流速增長(zhǎng)幅度最大，對(duì)邊壁及折板的沖擊以及沖刷作用最強(qiáng)，不利于豎井結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。三種模型相比較S1流態(tài)優(yōu)于另外兩種。

（4）根據(jù)李璐等[7]研究結(jié)果，Realizable k-ε模型與實(shí)際模型更為貼合，所以本模型能夠基本反應(yīng)實(shí)際情況，由于本工程還未實(shí)施，但是通過(guò)數(shù)學(xué)模型模擬，得出方案設(shè)計(jì)圖紙中折板間距合理，能夠起到預(yù)期的消能作用。

（5）無(wú)論哪種流態(tài)，折板式豎井消能效果均較好。折板間隔對(duì)折板式豎井的消能效果影響較小。對(duì)于往復(fù)跌水流，折板間能量的消耗主要靠水墊層消能和紊動(dòng)消能；對(duì)于S型貼壁流，水流主要依靠水舌與邊壁及折板撞擊消能和紊動(dòng)消能。

文中數(shù)值計(jì)算得到在水舌與豎井邊壁撞擊點(diǎn)的下部和折板射流下邊緣可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，這對(duì)豎井安全不利，在之后需要進(jìn)一步研究分析；本次研究的豎井條件特殊，有著專(zhuān)門(mén)用于通氣的通道，以此能保證良好通氣的假設(shè)條件，但在實(shí)際工程中，通氣與很多因素有關(guān)，對(duì)豎井也會(huì)有一定的影響，故需要在往后的研究中考慮通氣問(wèn)題。