吳啟和　韓繼斌　任坤杰

(1. 中交第二航務(wù)工程局有限公司， 武漢　430040； 2. 長江科學(xué)院， 武漢　430010)

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富春江船閘改擴(kuò)建工程圍堰過水水流流場數(shù)值模擬

吳啟和1韓繼斌1任坤杰2

(1. 中交第二航務(wù)工程局有限公司， 武漢430040； 2. 長江科學(xué)院， 武漢430010)

富春江船閘改擴(kuò)建工程施工時(shí)，部分圍堰處于樞紐泄洪消能區(qū)，圍堰附近水流流速大、流態(tài)復(fù)雜，對施工圍堰穩(wěn)定不利．本文采用帶自由表面的三維k-ε水氣兩相紊流數(shù)學(xué)模型，模擬過水圍堰區(qū)域復(fù)雜的水流流場，獲取圍堰附近的流態(tài)、流速分布、渦量分布及壓力分布規(guī)律，為圍堰防護(hù)設(shè)計(jì)與施工安全提供依據(jù)．

圍堰；數(shù)值模擬；流態(tài)；流速；渦量

富春江水電站位于浙江桐廬縣富春江七里垅峽谷出口處，距上游建德和蘭溪分別為53 km和100 km．電站樞紐自左至右為發(fā)電廠房、溢洪閘壩段、船閘及右岸擋水壩段等，富春江船閘上下游均具備水運(yùn)條件，300 t級船舶可達(dá)上游建德、蘭溪，下游500 t級船舶可達(dá)杭州，并連接京杭運(yùn)河與杭甬運(yùn)河．富春江船閘改擴(kuò)建時(shí)，采用施工圍堰將老船閘及下游施工區(qū)域進(jìn)行圍護(hù)，利于枯水期船閘改擴(kuò)建工程的安全有序開展．樞紐及圍堰布置如圖1所示．

圖1　富春江水電站樞紐與施工圍堰平面布置示意圖

富春江改擴(kuò)建施工圍堰處于右側(cè)5孔溢洪閘下游，橫向圍堰及部分縱向圍堰處于樞紐泄洪消能區(qū)，此區(qū)域水流流態(tài)復(fù)雜、流速大，紊動(dòng)水流與氣體混摻，撞擊、對沖圍堰及坡腳，極易造成圍堰坡腳的嚴(yán)重沖刷，危及施工圍堰的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全．因此，通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析施工期富春江船閘改擴(kuò)建施工圍堰附近水流流場是非常必要的[1-2]，可為施工圍堰防護(hù)設(shè)計(jì)與施工安全提供依據(jù)．本文采用帶自由表面的三維k-ε水氣兩相紊流數(shù)學(xué)模型模擬圍堰水流流場，并考慮實(shí)際河道地形對水流的影響，分析泄洪消能區(qū)內(nèi)圍堰附近水流的流態(tài)、流速、渦量及壓力特性，為圍堰的穩(wěn)定防滲抗沖防護(hù)提供水力學(xué)指標(biāo)．

1　數(shù)學(xué)模型

1.1控制方程

采用帶自由表面的三維k-ε和水氣兩相紊流數(shù)學(xué)模型的控制方程[3]，包括連續(xù)方程與運(yùn)動(dòng)方程：

(1)

(2)

k-ε方程：

(3)

(4)

式中，t為時(shí)間；ui、uj、xi、xj分別為速度分量與坐標(biāo)分量；μ、μt分別為動(dòng)力粘性系數(shù)與紊動(dòng)粘性系數(shù)，μt=Cuκ2/ε；p為修正壓力；fi為質(zhì)量力；Cκ為平均速度梯度產(chǎn)生的紊動(dòng)能項(xiàng)，Cκ=μt[(?ui/?xj+?uj/?xi)(?ui/?xj)]；經(jīng)驗(yàn)常數(shù)Cu=0.09，σk=1.0，σε=1.33，C1ε=1.44，C2ε=1.42．

追蹤模擬自由面采用VOF方法，在控制體積內(nèi)對第q相流體的體積分?jǐn)?shù)定義為θq=0表示控制體內(nèi)無q相流體；αq=1表示控制體內(nèi)充滿q相流體；0<αq<1表示控制體內(nèi)部分充滿q相流體，對所有流體的體積分?jǐn)?shù)總和為1，即ρ=∑αqρq，1．每個(gè)控制體內(nèi)混合流體的密度μ=∑αqμq；每個(gè)控制體內(nèi)混合流體的粘性為 ．第q相流體輸運(yùn)控制方程：

(5)

采用控制體積法對方程組進(jìn)行離散，采用對壓力初始值依賴性不強(qiáng)且收斂性較好的SIMPLER法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[4-7]．

1.2計(jì)算區(qū)域確定與網(wǎng)格劃分

富春江船閘改擴(kuò)建施工時(shí)，縱向圍堰將下游河道分割為兩部分，橫向圍堰封堵基坑上下游．汛期泄洪時(shí)，水流漫過圍堰進(jìn)入基坑行洪．計(jì)算條件選擇汛期來流量最大的不利運(yùn)行條件：上游來流15 300 m3/s，分別采用17孔溢洪閘與12孔溢洪閘(右側(cè)12孔關(guān)閉)敞泄宣泄洪水．

計(jì)算區(qū)域包括富春江上游部分庫區(qū)、17孔溢洪閘、上游橫向圍堰、縱向圍堰、下游河道等區(qū)域，全長約2 km，計(jì)算區(qū)域如圖2所示．整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用貼體六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格總數(shù)約為60萬，計(jì)算區(qū)域壁面網(wǎng)格如圖3所示．

圖2　計(jì)算區(qū)域示意圖　　　圖3　計(jì)算區(qū)域壁面網(wǎng)格劃分示意圖

1.3定解條件

計(jì)算區(qū)域內(nèi)，上游入流邊界采用流量邊界條件，控制來流流量；下游出流邊界采用水位邊界條件，控制下游水位．

2　模擬結(jié)果

圖4為區(qū)域內(nèi)主河道與基坑縱切面流態(tài)，圖中深色表示氣體、淺色表示水體；圖5、圖6為區(qū)域內(nèi)主河道與基坑縱切面流速分布、水平切面流速分布，圖中顏色由深至淺表示流速由小至大；圖7為縱向圍堰左側(cè)沿程垂向流速分布變化．由圖4可知，庫區(qū)水流較為平順，水流至消力池形成水躍，水流摻混、紊動(dòng)后向下游行進(jìn)．17孔溢洪閘泄洪時(shí)，縱向圍堰右側(cè)水流出閘室進(jìn)入消力池且受到橫向圍堰的阻擋，形成強(qiáng)水躍、頂沖圍堰，加劇圍堰及坡腳的沖刷；部分水體翻越橫向圍堰進(jìn)入施工基坑內(nèi)．

圖4　區(qū)域內(nèi)沿縱切面的流態(tài)示意圖

由圖5可知，庫區(qū)水流流速小，水流進(jìn)入溢洪閘流道束窄流速增大，過堰頂后流速增至最大；水流出閘室進(jìn)入消力池后潛底下行上卷形成水躍，消力池內(nèi)底部流速大、表面流速?。?7孔溢洪閘泄洪時(shí)，正對橫向圍堰的閘孔下泄水流對橫向圍堰形成頂沖，流速約為3.5m/s，部分水體翻越橫向圍堰進(jìn)入施工基坑，流速較小．12孔泄洪時(shí)，避免了壩體下泄水流對上游橫向圍堰的頂沖，流速由3.5m/s減小為1.2m/s．

圖5　區(qū)域內(nèi)縱切面流速分布示意圖

由圖6可知，17孔溢洪閘泄洪時(shí)，縱向圍堰左側(cè)流速較大，自縱向圍堰與上游橫向圍堰交匯處向下游形成狹長的較高流速帶，沿程流速呈減小趨勢；12孔泄洪時(shí)，圍堰左側(cè)流速較17孔泄洪工況大幅減小，可有效減弱水流對圍堰的局部沖刷．

圖6　水平切面流速分布示意圖

由圖7可知，縱向圍堰左側(cè)近壩區(qū)垂向流速呈表小、底大分布，底部流速大易造成圍堰坡腳沖刷，遠(yuǎn)壩區(qū)水流逐漸調(diào)整為表大、底小分布；近壩區(qū)17孔流速較12孔流速較大，遠(yuǎn)壩區(qū)二者流速基本相當(dāng)．17孔溢流壩運(yùn)行時(shí)，0+120 m、0+260 m、0+420 m、0+580 m各橫切面底部最大流速分別為5.28 m/s、4.51 m/s，3.60 m/s、3.67 m/s．

圖7　縱向圍堰左側(cè)沿程垂向流速分布變化示意圖

表1給出了各切面縱橫圍堰交匯處最大流速、渦量值．由表1可知，17孔各水平切面圍堰交匯處最大流速基本一致，12孔運(yùn)行時(shí)隨切面高程的增大最大流速有所增大；17孔運(yùn)行時(shí)流速較12孔運(yùn)行時(shí)大，17孔運(yùn)行時(shí)圍堰交匯處最大流速為5.72 m/s．

表1　各切面縱橫圍堰交匯處最大流速、渦量

圖8為區(qū)域內(nèi)主河道與基坑水平切面渦量分布，圖中顏色由深至淺表示渦量由小至大．由圖7可知，17孔溢洪閘泄洪時(shí)，縱向圍堰左側(cè)渦量較大，自縱向圍堰與上游橫向圍堰交匯處向下游形成狹長的較高渦量帶，沿程渦量呈減小趨勢；12孔泄洪時(shí)，圍堰左側(cè)渦量較17孔泄洪工況大幅減?。Y(jié)合渦量分布圖與流速分布圖可以看出，渦量的分布規(guī)律與流速分布規(guī)律存在較好的對應(yīng)性，近圍堰水流流速越大，其與圍堰坡面之間的剪切應(yīng)力越大，形成渦量亦較大．

由表1可知，17孔各水平切面圍堰交匯處隨高程的增大，最大渦量有所減小，12孔運(yùn)行時(shí)隨切面高程的增大最大流速有所增大；17孔運(yùn)行時(shí)渦量較12孔運(yùn)行時(shí)大，17孔運(yùn)行時(shí)圍堰交匯處最大渦量為1.67/s．

圖8　水平切面渦量分布示意圖

圖9為區(qū)域內(nèi)主河道與基坑橫切面壓力梯度分布，圖中顏色由深至淺表示壓力梯度由小至大．由圖9可知，17孔溢洪閘泄洪與12孔泄洪工況下，圍堰附近沿水深方向的壓力梯度約為-0.95～-1，表明圍堰附近壓力分布基本呈靜壓分布規(guī)律．

圖9　沿橫向剖面壓力梯度分布示意圖

3　結(jié)　論

利用帶自由表面的三維k-ε和水氣兩相紊流數(shù)

學(xué)模型，模擬計(jì)算了富春江船閘改擴(kuò)建施工圍堰附近水流流場，計(jì)算結(jié)果表明，因橫向圍堰與部分縱向圍堰處于大壩消能區(qū)內(nèi)，當(dāng)17孔溢洪閘泄洪時(shí)，在圍堰交匯處附近出現(xiàn)高流速、高渦量流速帶，極可能造成圍堰的局部沖刷而危害其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全，應(yīng)加強(qiáng)消能區(qū)內(nèi)圍堰坡腳的防護(hù)加固．同時(shí)，如改變泄洪調(diào)度方式，將正對橫向圍堰的5孔泄洪閘關(guān)閉，12孔泄洪閘泄洪，可有效的減小消能區(qū)內(nèi)圍堰附近的流速、渦量，削弱水流對圍堰的局部沖刷．計(jì)算結(jié)果可為圍堰防護(hù)設(shè)計(jì)與施工安全提供依據(jù)．

[1]賀昌海，張輝輝，楊棟．分期導(dǎo)流束窄河床的二維數(shù)值模擬研究[J]．華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，33(3)：81-84．

[2]麻夏，張潔，陳九靈，等．峽江樞紐圍堰施工河道水力特性2維數(shù)值模擬[J]．江西師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，37(5)：544-550．

[3]姜治兵，槐文信，韓繼斌，等．高拱壩下游水墊塘內(nèi)流場的數(shù)值模擬[J]華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，36(2)：126-128．

[4]張寧，李光正．一種改進(jìn)的SIMPLER算法[J]．華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，19(2)：28-31．

[5]鄒春，劉朝霞，張立麒，等．不同湍流模型比較模擬撞擊流[J]．華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，34(9)：72-76．

[6]槐文信，曾小輝，楊中華．一維和二維潰壩波的混合有限分析解[J]．華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，34(9)：48-50．

[7]張雙全，符建平，段開林，等．三峽水輪機(jī)尾水管渦帶的CFD數(shù)值模擬口[J]．華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，34(7)：19-23．

[責(zé)任編輯周文凱]

Numerical Simulation of Flow Filed over Cofferdam on Fuchunjiang Ship Lock Extension Project

Wu Qihe1Han Jibin2Ren Kunjie2

(1. CCCC Second Harbor Engineering Company Ltd., Wuhan 430040, China; 2. Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China)

When the Fuchunjiang ship lock extension project is in construction, it is unfavorable for cofferdam stability of the flow with high velocity and complex flow patterns because of part of the cofferdam on flood energy dissipation in the hub area. The complex flow field in the nearby cofferdam is simulated by using three dimensional numerical model which is free surface and k-εturbulent mode. The flow pattern, velocity distribution, vorticity distribution and distribution of pressure around cofferdam are obtained, so as to provide the help for cofferdam design and construction safety.

cofferdam;numerical simulation;flow pattern；flow velocity；vorticity

2015-11-02

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51209007)；交通運(yùn)輸部氣液技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(201431542 A060)

吳啟和(1979-)，男，高工，碩士，主要研究方向?yàn)闃蛄荷钏A(chǔ)及防滲．E-mail： renkunjie@sina.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.04.005

TV132+.2

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1672-948X(2016)04-0023-04