王 煌，曾慶達，林欣然

(深圳市水務規(guī)劃設計院股份有限公司，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，工程設計輸水規(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，堰前順水流方向3.4 m，堰后順水流方向4.0 m，凈寬均為7.0 m，高位水池采用C35砼結(jié)構，壁厚為1.2 m。

由于北線引水工程管線沿線出現(xiàn)了一些特殊復雜的工況，現(xiàn)需對該高位水池的薄壁堰堰板結(jié)構進行改造。通過對高位水池的結(jié)構進行多種方案比選，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)設不銹鋼閘門，以控制孔口的開度。同時，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)構見圖1和圖2。

圖1 改造后高位水池結(jié)構圖

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)構改造后，通過控制孔口閘門開啟高度，實現(xiàn)以下兩種工況下均達到高位水池內(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，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，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，此時薄壁堰堰后水位為81.40 m。

本文以水力學理論計算成果為基礎，開展CFD數(shù)值模擬計算研究，并輔以物理模型試驗加以論證。通過對3種方法得到的計算及試驗成果進行對比分析，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 水力學理論計算

2.1.1 水力學計算公式

由改造后的高位水池結(jié)構圖和剖面圖可知，新設置的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》孔口淹沒出流計算[1-2]，計算公式如下：

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 水力學計算結(jié)果

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

表1 水力計算結(jié)果

2.2 CFD數(shù)值模擬計算

CFD (Computational Fluid Dynamics)，即計算流體動力學，簡稱CFD[3]。CFD是近代流體力學、數(shù)值數(shù)學和計算機科學結(jié)合的產(chǎn)物，是以電子計算機為主要工具，應用各種離散化的數(shù)學計算方法，對流體力學的各類問題進行數(shù)學建模、計算機模擬和分析研究，最終得到計算成果的方法。隨著計算機技術的發(fā)展，國內(nèi)外越來越多的學者采用 CFD 數(shù)值模擬計算方法，對各種結(jié)構的水工建筑物流場進行三維數(shù)值模擬，并取得相關研究成果，同時驗證了數(shù)值模擬計算的可行性和精確性，目前已被廣泛應用于各種水工建筑物設計研究來解決實際問題[4-10]。

2.2.1 數(shù)值模擬邊界條件

本次研究采用Revit軟件，基于計算區(qū)域三維建模[11-13]后導入計算軟件。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)試驗測定，管道糙率為0.012，混凝土糙率為0.014，因此將Wall邊壁設置為無滑移壁面，分別選取實際糙率作為模擬值[14-15]。數(shù)值模擬計算結(jié)果的精確性與網(wǎng)格尺度有著密切的關系，為了保證數(shù)值模擬計算的精度與計算的效率，本次數(shù)學模型對高位水池重點計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分進行加密，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置

圖4 高位水池網(wǎng)格劃分圖

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

表2 Ansys Fluent 15.0求解及收斂設置

2.2.2 數(shù)值模擬計算成果

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

表3 CFD數(shù)值模擬計算結(jié)果

圖5 高位水池水體積分數(shù)云圖 (工況一)

圖6 高位水池水體積分數(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數(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

2.3.1 物理模型試驗邊界條件

本工程水工整體模型按佛勞德相似定律設計為正態(tài)，在滿足物理模型試驗成果精度的前提下，根據(jù)試驗場地、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系為：

幾何比尺：Lr=10

為了保證高位水池物理模型試驗及其上下游管道水流的相似，模型試驗截取的范圍為：模型試驗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，新建的高位水池及其上下游管道嚴格按幾何比尺縮制，并選用優(yōu)質(zhì)有機玻璃板精心制作，以滿足新建高位水池、管道模型試驗糙率與原型糙率相似性原理。模型試驗采用上游由自吸式清水泵和轉(zhuǎn)子流量計作為供水系統(tǒng)，并在管道下游出口處設置尾水閘閥控制堰后水位，同時采用三角形量水堰來計算過流流量。本次模型試驗采用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 物理模型試驗成果

本次物理模型試驗中，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，試驗后閘門開啟高度h與堰后水位H2關系曲線見圖13。

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

圖13 閘門開度h與堰后水位H2關系曲線(工況一)

圖14 閘門開度h與堰后水位H2關系曲線(工況二)

通過物理模型試驗，可以得到高位水池閘門開啟高度與堰后水位關系曲線。通過對模型試驗分析，可得到以下試驗成果。當流量為10.41 m3/s時，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；當流量為13.88 m3/s時，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，試驗成果見表4。

表4 物理模型試驗成果

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。本項目以水力學理論計算成果為基礎，開展CFD數(shù)值模擬計算研究，并輔以室內(nèi)物理模型試驗加以論證，并將計算值、模擬值與試驗值進行對比。研究結(jié)果表明，計算值、模擬值與試驗值高度吻合，3種方法互為印證。

表5 3種研究方法計算成果對比

2) 雖然高位水池薄壁堰孔口厚度達到1.2 m(類似短嘴)，經(jīng)數(shù)值模擬和物理試驗論證，在閘門控制下的孔口過流計算，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，計算是精準的。

3) CFD數(shù)值模擬成果與室內(nèi)物理試驗成果高度吻合，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模擬可精準得到閘門開度。影響計算流體力學計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]。在實際應用中常需結(jié)合具體流動特點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)構數(shù)值模擬計算提供經(jīng)驗模式。同時，在保證數(shù)值計算的精度與效率并重的前提下，本工程研究可提供計算參數(shù)、網(wǎng)格劃分及精度、求解及收斂設置等方面的參考。

4) 由于有些水工結(jié)構的體型較為復雜，直接利用試驗方法進行體型研究既不經(jīng)濟又增加試驗周期[18]。因此，越來越多的專家學者選擇采用計算流體力學的方法進行體型優(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)濟性等方面有著諸多優(yōu)勢，建立數(shù)學模型精度高、速度快，后期數(shù)據(jù)分析具體形象且方便快捷，目前已實現(xiàn)高精度、多維度的模擬仿真，可輔助應用于水務工程設計或用數(shù)模結(jié)果指導物模實驗，從而提高設計效率和精度，本文研究成果可為今后類似工程提供一定的參考價值。