長距離大口徑輸水管道放空建筑物設計及數值模擬分析

新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000

1 工程概況

倒虹吸總長3.9km，全線由PCCP管及鋼管組成，管徑為3.5m，放空系統由放空鋼管、消力井和溢流涵洞組成。放空鋼管共3根，內徑300mm，水平并列布置，間距1.3m。放空鋼管上布置有閘閥，兼具控制與消能作用。鋼管末端為半徑0.6m的彎管，出口朝下，距消力井井底1.05m，其中，中間鋼管出口位于豎井中心位置。消力井為圓形豎井，內徑4m，高15.7m。消力井上部接溢流涵洞，涵洞斷面為矩形，寬1.5m，高1.6m，坡度為1/200，涵洞起始端底板高程距消力井底部12.497m。涵洞末端與陡坡相接，將水排入下游河渠。

2 放空系統水力學數值模型

根據放空系統布置的水力特點，建立三維CFD數理模型，模型范圍包括排水鋼管（從工作閘閥后開始）、消能井和溢流涵洞。3根鋼管起點為計算域進口，溢流涵洞終端為計算域出口。放空系統水流流動可認為是準穩態的不可壓湍流流動，采用時均N-S方程描述，湍流模型采用RNGk-ε模型，溢流涵洞泄水自由面采用VOF技術捕捉。流動控制方程如下：

邊界條件：進出口均為壓力邊界條件，進口壓力根據有效工作水頭及閘閥消能率計算給出，出口為自由出流。控制方程的離散采用有限體積法，速度與壓力的解耦采用SIMPLE算法，對流項離散采用QUICK格式，體積分數離散采用修正的HRIC格式。

3 數值模型計算結果

針對閘閥的不同消能率進行數值模擬計算，計算工況如表1所示。

表1 計算工況表

（1）流態與流場。工況1和工況2消力井頂部及溢流涵洞均為明流，溢流涵洞水流平穩。隨著閘閥消能率的增大，放空流量減小，消力井頂部水位及溢流涵洞水面線均降低，如圖1所示。

圖1 放空系統流態

受彎管影響，放空管出口射流核心區（高流速區）并非軸對稱分布，而是向彎管外側及兩側方向擴展。由于管出口距消力井底板距離較小，射流擴散效果不明顯。另外，不同放空管射流核心區和擴散區的發展基本上相互不受影響。射流水股觸底后向四周發散，在射流水股相互作用和消力井邊壁約束下，在消力井底部形成旋流、水流對沖等現象。消力井下部是水流消能的主體部位。在消力井中上部，斷面流速分布呈現中間小、周邊大的特征，這種流速分布的不均勻程度隨著排水流量的增大而加劇，流場更顯紊亂，如圖2所示。

圖2 消力井底部流速矢量圖

（2）壓力分布。消力井內壓力上小下大，呈現良好的靜壓分布特點，如圖3所示。受射流沖擊作用，底板沖擊區局部壓力明顯較大，并向四周迅速降低坦化，如圖4所示。由于放空管出口離底板較近，水流擴散不明顯，沖擊區壓力較大，范圍較小。隨著放空管閘閥消能率的降低，消力井底板沖擊壓力隨之增大，計算底板最大沖擊壓力分別為172kPa（工況2）、325kPa（工況1）。

圖3 消力井壓力分布

圖4 消力井底板壓力分布

消力井底板對沖軸線的壓力分布如圖5、圖6所示，可以看出沖擊區壓力呈明顯的雙峰分布，且射流沖擊區與放空管出口相比，有微小偏移，其根源是彎管引起管內高流速區的變形與偏移，進而影響射流核心區的發展變化。

圖5 閘閥消能率為60%時消力井底板對沖軸線的壓力分布

圖6 閘閥消能率為90%時消力井底板對沖軸線的壓力分布

（3）放空流量及消力井消能率。不同工況放空流量、放空管流速及消力井消能率如表2所示。消力井消能率計算公式如下：

表2 計算結果主要參數

式中：Ein為進口斷面總能（重力勢能+動能）；Eout為出口斷面總能，按上式計算的消能率實際包括了放空管彎曲段和溢流涵洞的消能效果。計算得工況1、2放空流量分別為4.1m3/s、2.0m3/s，消力井消能率分別為95%和94%，可見消力井整體消能效果良好，計算工況下均達到90%以上。

4 結束語

綜上所述，放空系統閘閥的消能率越低，其放空流量越大，隨放空流量增加，放空管出射水流對消力井底板的沖擊壓力顯著增大。放空管高流速位置主要發生在彎管處，若流速過高將會因水流分離誘發空化，可能發生空蝕破壞、振動及噪聲等不利現象，因此放空系統應設置消能率較高的閘閥裝置，以降低出口彎管段的水流流速。