孫迎霞，薛英文，梁舒豪

[1.同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）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)計院有限公司，湖南 長沙 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)過往復(fù)跌落到豎井底部，即“濕室”，另一部分不通過水流，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，故在國內(nèi)外排水深隧中得到較多的應(yīng)用[3]。

目前，國內(nèi)外對折板式豎井的相關(guān)研究還非常少。王志剛等[4]對折板式豎井內(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]等對豎井穩(wěn)定運行工況以及豎井能安全通過的最大流量進(jìn)行研究，得到了穩(wěn)定過流和最大過流約束條件。ODGAARD A J等[1]對豎井內(nèi)的煙霧流動情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)豎井內(nèi)空氣流動緩慢，且對外所需通氣量較小。李璐等[7]通過對折板式豎井進(jìn)行數(shù)值仿真，并通過模型試驗驗證，發(fā)現(xiàn)模擬計算與模型試驗結(jié)果吻合較好。

本文基于李璐等[7]經(jīng)過合理驗證的數(shù)值模擬參數(shù)，對3組折板式豎井進(jìn)行數(shù)值計算，得到豎井內(nèi)流態(tài)、壓強、流速以及消能率水力特性參數(shù)的分布情況，并對折板間隔的影響進(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)計圖紙，設(shè)計規(guī)模4.07 m3/s。該豎井主要分為兩個部分，“濕室”和“干室”；“濕室”每隔一段距離設(shè)置折板，水流通過折板逐級跌路至底層，最終進(jìn)入到隧道；“干室”通過通氣孔與“濕室”連通，內(nèi)部不通過水流，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在于“濕室”內(nèi)折板間隔對水流的影響，故在初始方案的基礎(chǔ)上去掉“干室”部分，并對豎井內(nèi)的折板間隔、折板長度、折板寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行局部的優(yōu)化設(shè)計，簡化后的模型以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別見圖2和表1。

圖2 折板式豎井簡化示意圖

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為動力粘度系數(shù)；k為紊動能；ε為紊動耗散率；Gk為紊動能產(chǎn)生項。

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

對計算區(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。對于求解參數(shù)設(shè)置，經(jīng)過相應(yīng)的調(diào)試，計算時間步長設(shè)置為0.005~0.01 s，計算后的結(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逐漸增大，水舌撞擊點也會從折板表面轉(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，撞擊的位置會越高；圖3（b）為上述兩種流態(tài)的過渡狀態(tài)，即過渡流，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)計圖

3.2 壓強

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)壓強分布規(guī)律也發(fā)生較大變化。對于S1豎井，5#、8#、11#折板及邊壁上時均壓強曲線較為相似，呈“山峰”型和“邊坡”型曲線分布；從圖中可以發(fā)現(xiàn)，時均壓強曲線存在兩個峰值和一個極小值點，峰值在折板與邊壁交叉點及折板上靠近交叉點1 m左右，極小值在兩者中間。峰值可能是因為水流先后與折板及邊壁撞擊，從后文流速圖可以發(fā)現(xiàn)，與邊壁撞擊的僅是部分水流，且在兩個峰值中間折板上形成水墊層。對于極小值點，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，使得折板上時均壓強呈下凹趨勢。對于S3豎井，與S1剛好相反，折板和邊壁上時均壓強分別呈“邊坡”型和“山峰”型曲線分布。邊壁上2 m左右的壓強峰值同樣是由于水舌撞擊的結(jié)果，而隨后壓強陡然降低和升高，這可能是因為邊壁對水流產(chǎn)生一個反向的作用力，致使水流有水平反向的運動趨勢，但由于下跌的流程較短，使得水流并不能脫離壁面，故壓強會陡然降低，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陡然增大，其數(shù)值甚至超過水舌與壁面撞擊處產(chǎn)生的最大壓強。對于S2豎井，折板和邊壁上時均壓強均呈“邊坡”型曲線分布，時均壓強從折板與邊壁交匯處開始沿兩側(cè)分別逐漸減小。對比三組豎井時均壓強最大峰值，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)的脈動壓強分布情況，應(yīng)與折板或邊壁的時均壓強分布基本相對應(yīng)，在水舌撞擊處以及折板與邊壁交匯處的脈動壓強較大，S3豎井邊壁上局部位置脈動壓強可能大于時均壓強，產(chǎn)生負(fù)壓。

圖4 S 1豎井折板上表面壓強分布圖（單位:kP a）

圖5 S 2豎井折板上表面壓強分布圖

圖6 S 3豎井折板上表面壓強分布圖

圖7 S 1豎井邊壁壓強分布圖

圖8 S 2豎井邊壁壓強分布圖

圖9 S 3豎井邊壁壓強分布圖

對三組豎井內(nèi)不同折板或邊壁上時均壓強和脈動壓強計算結(jié)果進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)水流大約經(jīng)過6次跌落后，折板或邊壁上的時均壓強及脈動壓強曲線越來接近，且峰值越來越小。這可能是因為經(jīng)過約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。對于S1豎井，上層折板上水流流速大約3.5 m/s，經(jīng)過幾次跌落后，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，整個過程中，水流流速先增大后略有減小，對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，從3.5 m/s快速增大至7 m/s，但之后由于紊動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，使得折板間呈現(xiàn)類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，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算采取相鄰折板邊緣的出流斷面，多層折板間的消能率計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，無論水流流態(tài)為往復(fù)跌水流，還是S型貼壁流，經(jīng)過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增長幅度最大，S2次之，而后折線均處于波動狀態(tài)。對于S1豎井，能量的消耗主要是因為水流對水墊層和折板的沖擊，對于S3豎井，主要是水流對邊壁和折板的沖擊，從壓強及流速的角度來看，兩種豎井還存在紊動消能，其所在比例較小。

4 結(jié)論與展望

通過對三組不同折板間隔的豎井進(jìn)行數(shù)值計算，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，時均壓強峰值會有所增大，但無論哪種流態(tài)，經(jīng)過幾次跌落后，折板或邊壁上的時均壓強及脈動壓強曲線越來接近，且峰值越來越小。對于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型貼壁流流速增長幅度最大，對邊壁及折板的沖擊以及沖刷作用最強，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模型與實際模型更為貼合，所以本模型能夠基本反應(yīng)實際情況，由于本工程還未實施，但是通過數(shù)學(xué)模型模擬，得出方案設(shè)計圖紙中折板間距合理，能夠起到預(yù)期的消能作用。

（5）無論哪種流態(tài)，折板式豎井消能效果均較好。折板間隔對折板式豎井的消能效果影響較小。對于往復(fù)跌水流，折板間能量的消耗主要靠水墊層消能和紊動消能；對于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消能。

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