王 煌，曾慶達(dá)，林欣然

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

1 概 述

深圳市北線引水工程的主要任務(wù)是從東莞鳳崗鎮(zhèn)雁田村上埔泵站抽取東深原水到茜坑水庫與石巖水庫，途經(jīng)平湖、觀瀾、龍華、光明、公明，以解決深圳中西部地區(qū)的城市用水問題，屬于深圳市重大民生工程，工程設(shè)計(jì)輸水規(guī)模為120×104m3/d，北線引水工程全長約29.92 km。

本工程在距離取水口上埔泵站約2.71 km處建有高位水池1座，高位水池內(nèi)池底高程為63.65 m，池頂高程為90.00 m，高位水池內(nèi)垂直水流向設(shè)置壅水建筑物薄壁堰，堰頂高程為84.00 m，堰板厚度為1.2 m，堰寬(凈寬)為7.0 m。高位水池由薄壁堰板分隔成堰前和堰后兩部分，堰前順?biāo)鞣较?.4 m，堰后順?biāo)鞣较?.0 m，凈寬均為7.0 m，高位水池采用C35砼結(jié)構(gòu)，壁厚為1.2 m。

由于北線引水工程管線沿線出現(xiàn)了一些特殊復(fù)雜的工況，現(xiàn)需對該高位水池的薄壁堰堰板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。通過對高位水池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行多種方案比選，本次改造方案最終確定在高位水池中間的薄壁堰設(shè)置2個方形孔，孔口尺寸為2.2 m×2.2 m，2個方孔的中心間距為3.4 m，孔口底部高程為69.5 m，頂部高程為71.7 m，孔口上游側(cè)設(shè)不銹鋼閘門，以控制孔口的開度。同時(shí)，薄壁堰堰頂利用鋼板閘加高至85.5 m。改造后的高位水池結(jié)構(gòu)見圖1和圖2。

圖1 改造后高位水池結(jié)構(gòu)圖

圖2 改造后高位水池剖面圖

深圳市北線引水工程上埔泵站處的高位水池結(jié)構(gòu)改造后，通過控制孔口閘門開啟高度，實(shí)現(xiàn)以下兩種工況下均達(dá)到高位水池內(nèi)薄壁堰堰頂不溢流，堰前保持85.0 m的恒定水位，高位水池上游管道來水由堰頂溢流轉(zhuǎn)為孔口過流。兩種工況如下：

工況一：上埔泵站開啟4臺水泵時(shí)，流量共120×104m3/d，即高位水池上游管道來水流量為13.88 m3/s，此時(shí)薄壁堰堰后水位為78.58 m。

工況二：上埔泵站開啟3臺水泵時(shí)，流量共90×10 m3/d，即高位水池上游管道來水流量為10.41 m3/s，此時(shí)薄壁堰堰后水位為81.40 m。

本文以水力學(xué)理論計(jì)算成果為基礎(chǔ)，開展CFD數(shù)值模擬計(jì)算研究，并輔以物理模型試驗(yàn)加以論證。通過對3種方法得到的計(jì)算及試驗(yàn)成果進(jìn)行對比分析，最終確定高位水池孔口閘門的開啟高度，并以此來論證CFD數(shù)值模擬成果的精確性。

2 研究方法與參數(shù)選定

2.1 水力學(xué)理論計(jì)算

2.1.1 水力學(xué)計(jì)算公式

由改造后的高位水池結(jié)構(gòu)圖和剖面圖可知，新設(shè)置的2.2 m×2.2 m孔口底部高程為69.5 m，頂部高程為71.7 m，堰前水位為85.0 m，堰后水位工況一為81.4 m、工況二為78.58 m。因此，無論工況一還是工況二，孔口過流均為淹沒出流。

本次研究采用《水力學(xué)》孔口淹沒出流計(jì)算[1-2]，計(jì)算公式如下：

μ=εφ

式中：Q為流量，m3/s；μ為孔口流量系數(shù)；φ為流速系數(shù)，取0.97；ε為收縮系數(shù)，取0.64。

2.1.2 水力學(xué)計(jì)算結(jié)果

基于《水力學(xué)》孔口淹沒出流計(jì)算公式，當(dāng)流量為10.41 m3/s，堰前水位85 m，閘門開啟高度為0.34 m；當(dāng)流量為13.88 m3/s，堰前水位85 m，閘門開啟高度為0.60 m。本次水力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 水力計(jì)算結(jié)果

2.2 CFD數(shù)值模擬計(jì)算

CFD (Computational Fluid Dynamics)，即計(jì)算流體動力學(xué)，簡稱CFD[3]。CFD是近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，是以電子計(jì)算機(jī)為主要工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)計(jì)算方法，對流體力學(xué)的各類問題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究，最終得到計(jì)算成果的方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外越來越多的學(xué)者采用 CFD 數(shù)值模擬計(jì)算方法，對各種結(jié)構(gòu)的水工建筑物流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬，并取得相關(guān)研究成果，同時(shí)驗(yàn)證了數(shù)值模擬計(jì)算的可行性和精確性，目前已被廣泛應(yīng)用于各種水工建筑物設(shè)計(jì)研究來解決實(shí)際問題[4-10]。

2.2.1 數(shù)值模擬邊界條件

本次研究采用Revit軟件，基于計(jì)算區(qū)域三維建模[11-13]后導(dǎo)入計(jì)算軟件。上游管道入口為流速入口(Velocity inlet)，下游管道出口為水流出口(outlet)，池頂為壓力入口(pressure inlet)數(shù)值為0，模擬大氣，其余面為邊壁(wall)，經(jīng)試驗(yàn)測定，管道糙率為0.012，混凝土糙率為0.014，因此將Wall邊壁設(shè)置為無滑移壁面，分別選取實(shí)際糙率作為模擬值[14-15]。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的精確性與網(wǎng)格尺度有著密切的關(guān)系，為了保證數(shù)值模擬計(jì)算的精度與計(jì)算的效率，本次數(shù)學(xué)模型對高位水池重點(diǎn)計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分進(jìn)行加密，網(wǎng)格最小精度為0.1m，網(wǎng)格總數(shù)為986 894個。高位水池邊界條件設(shè)置見圖3，具體網(wǎng)格劃分見圖4。

圖3 高位水池邊界條件設(shè)置

圖4 高位水池網(wǎng)格劃分圖

本次計(jì)算所采用軟件平臺為Ansys Fluent15.0，采用國家超級計(jì)算深圳中心120核心超級計(jì)算機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置并計(jì)算，具體求解設(shè)置和收斂設(shè)置見表2。

表2 Ansys Fluent 15.0求解及收斂設(shè)置

2.2.2 數(shù)值模擬計(jì)算成果

基于Ansys Fluent計(jì)算軟件的CFD數(shù)值模擬結(jié)果見表3；兩種工況條件下的水體積分?jǐn)?shù)云圖、氣液流速云圖和流線圖見圖5-圖10。

表3 CFD數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

圖5 高位水池水體積分?jǐn)?shù)云圖 (工況一)

圖6 高位水池水體積分?jǐn)?shù)云圖(工況二)

圖7 高位水池氣液流速云圖 (工況一)

圖8 高位水池氣液流速云圖 (工況二)

圖9 高位水池流線圖(工況一)

圖10 高位水池流線圖(工況二)

通過高位水池水體積分?jǐn)?shù)云圖可知，工況一和工況二條件下，高位水池底部和中部充滿水流，只在水池的上部出現(xiàn)水汽摻和現(xiàn)象。由氣液流速云圖可知，工況一條件下，池內(nèi)最大流速為10.0 m/s；工況二條件下，池內(nèi)最大流速為11.7 m/s。由流線圖可以看出，工況一和工況二條件下，高位水池內(nèi)的流線較為紊亂，水流流態(tài)不穩(wěn)定，通過孔口后流線較為平順，水流流態(tài)趨于平穩(wěn)。

2.3 物理模型試驗(yàn)

2.3.1 物理模型試驗(yàn)邊界條件

本工程水工整體模型按佛勞德相似定律設(shè)計(jì)為正態(tài)，在滿足物理模型試驗(yàn)成果精度的前提下，根據(jù)試驗(yàn)場地、供水條件等，選取模型幾何比尺Lr=10[16]。根據(jù)佛勞德重力相似定律，可得出模型各主要物理量的比尺關(guān)系為：

幾何比尺：Lr=10

為了保證高位水池物理模型試驗(yàn)及其上下游管道水流的相似，模型試驗(yàn)截取的范圍為：模型試驗(yàn)上邊界為新建高位水池(以堰板為中心)往上游長約50 m的管道，下邊界為新建高位水池(以堰板為中心)下游長約120 m的管道；新建高位水池及其上下游管道總長度約為170 m。同時(shí)，新建的高位水池及其上下游管道嚴(yán)格按幾何比尺縮制，并選用優(yōu)質(zhì)有機(jī)玻璃板精心制作，以滿足新建高位水池、管道模型試驗(yàn)糙率與原型糙率相似性原理。模型試驗(yàn)采用上游由自吸式清水泵和轉(zhuǎn)子流量計(jì)作為供水系統(tǒng)，并在管道下游出口處設(shè)置尾水閘閥控制堰后水位，同時(shí)采用三角形量水堰來計(jì)算過流流量。本次模型試驗(yàn)采用1956年黃?；娓叱滔?，高位水池的堰前、堰后水位采用專用水位尺測量，其精度為±0.1 mm。

高位水池物理模型試驗(yàn)池內(nèi)流態(tài)見圖11-圖12。

圖11 高位水池池內(nèi)流態(tài)(俯視)

圖12 高位水池池內(nèi)流態(tài)(側(cè)視)

2.3.2 物理模型試驗(yàn)成果

本次物理模型試驗(yàn)中，每種工況流量保持恒定，根據(jù)不同的堰后水位H2，通過調(diào)整閘門開啟高度h來達(dá)到堰前恒定水位85.0 m，最終得到閘門開啟高度h與堰后水位H2關(guān)系曲線圖。兩種工況如下：

工況一：高位水池上游流量10.41 m3/s，堰前水位85.0 m，試驗(yàn)后閘門開啟高度h與堰后水位H2關(guān)系曲線見圖13。

工況二：高位水池上游流量13.88 m3/s，堰前水位85.0 m，試驗(yàn)后閘門開度h與堰后水位H2關(guān)系曲線見圖14。

圖13 閘門開度h與堰后水位H2關(guān)系曲線(工況一)

圖14 閘門開度h與堰后水位H2關(guān)系曲線(工況二)

通過物理模型試驗(yàn)，可以得到高位水池閘門開啟高度與堰后水位關(guān)系曲線。通過對模型試驗(yàn)分析，可得到以下試驗(yàn)成果。當(dāng)流量為10.41 m3/s時(shí)，堰前水位為85 m，閘門開啟高度為0.34 m，堰后水位為78.58 m；當(dāng)流量為13.88 m3/s時(shí)，堰前水位為85 m，閘門開啟高度為0.61 m，堰后水位為81.40 m，試驗(yàn)成果見表4。

表4 物理模型試驗(yàn)成果

3 結(jié)論與分析

1) 通過以上3種方法對比研究，得到孔口閘門的開啟高度成果對比，見表5。本項(xiàng)目以水力學(xué)理論計(jì)算成果為基礎(chǔ)，開展CFD數(shù)值模擬計(jì)算研究，并輔以室內(nèi)物理模型試驗(yàn)加以論證，并將計(jì)算值、模擬值與試驗(yàn)值進(jìn)行對比。研究結(jié)果表明，計(jì)算值、模擬值與試驗(yàn)值高度吻合，3種方法互為印證。

表5 3種研究方法計(jì)算成果對比

2) 雖然高位水池薄壁堰孔口厚度達(dá)到1.2 m(類似短嘴)，經(jīng)數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)論證，在閘門控制下的孔口過流計(jì)算，壁的厚度對水流無影響，采用薄壁孔口淹沒出流公式(流速系數(shù)φ為0.97、ε收縮系數(shù)為0.64)是合理的，計(jì)算是精準(zhǔn)的。

3) CFD數(shù)值模擬成果與室內(nèi)物理試驗(yàn)成果高度吻合，利用數(shù)值模擬探究孔口淹沒出流水力特性是可行的，通過CFD模擬可精準(zhǔn)得到閘門開度。影響計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算精度的一個主要因素則是湍流模型的選用，目前多種湍流模型都有各自的適用范圍，尚不存在通用的湍流模型[17]。在實(shí)際應(yīng)用中常需結(jié)合具體流動特點(diǎn)選擇不同的湍流模型。因此，本工程CFD數(shù)值模擬研究過程，特別是湍流模型的選擇，可為類似水工結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬計(jì)算提供經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｍ瑫r(shí)，在保證數(shù)值計(jì)算的精度與效率并重的前提下，本工程研究可提供計(jì)算參數(shù)、網(wǎng)格劃分及精度、求解及收斂設(shè)置等方面的參考。

4) 由于有些水工結(jié)構(gòu)的體型較為復(fù)雜，直接利用試驗(yàn)方法進(jìn)行體型研究既不經(jīng)濟(jì)又增加試驗(yàn)周期[18]。因此，越來越多的專家學(xué)者選擇采用計(jì)算流體力學(xué)的方法進(jìn)行體型優(yōu)化研究?；贏nsys 的CFD數(shù)值模擬方法在工況模擬、可操作性和經(jīng)濟(jì)性等方面有著諸多優(yōu)勢，建立數(shù)學(xué)模型精度高、速度快，后期數(shù)據(jù)分析具體形象且方便快捷，目前已實(shí)現(xiàn)高精度、多維度的模擬仿真，可輔助應(yīng)用于水務(wù)工程設(shè)計(jì)或用數(shù)模結(jié)果指導(dǎo)物模實(shí)驗(yàn)，從而提高設(shè)計(jì)效率和精度，本文研究成果可為今后類似工程提供一定的參考價(jià)值。