深隧入流綜合設施水力特性CFD數值模擬研究

王希晨，張 健，施 偉，夏臣智

(1.南水北調東線江蘇水源有限責任公司，江蘇 南京 210019；2.河海大學，江蘇 南京 210098)

近些年來，隨著社會經濟建設、城市化的快速發展，全球氣候變化影響下的暴雨等極端天氣頻繁發生，突發性強降雨對城市排水系統提出了更高的要求。城市內澇問題已成為阻礙我國城市化進程中的一大難題。深層隧道排水調蓄系統(簡稱深隧系統)工程，作為海綿城市建設中一種新型戰略措施，能有效緩解大型城市用地緊張、建筑密集、淺層地下空間飽和與突發性強降雨對城市排水系統要求高之間的矛盾。為了提高城市防洪排澇的能力，針對中心城區地面硬化率高、建筑密度大、地下各市政管線錯綜復雜、人口密集、防汛壓力大等特點，美國芝加哥、日本東京、英國泰晤士、法國巴黎及墨西哥、新加坡等地規劃建設了深隧系統工程。近年來，我國的廣州、上海、武漢、成都、重慶等城市已開始規劃建設中心城區深層隧道調蓄系統工程。深層隧道調蓄系統工程中，雨水從地下淺層排水管道經豎井消能后輸送至深層主隧；在淺層排水管道出口至豎井進口之間通常布置包含攔污柵、沉砂池等綜合設施構成入流系統，其出水流態直接影響到后續表-深銜接系統和主隧系統內水流形態。因此，對入流綜合設施水力特性進行研究，對于深層隧道調蓄系統工程設計和運行工況控制都至關重要。研究深隧系統工程的水力學問題可以采用數值模擬和物理模型試驗等多種手段。計算流體動力學(CFD)三維數值方法不受試驗條件的限制，對于模擬復雜結構流場中的流態具有明顯優勢。國內外許多學者采用CFD方法對各種結構形式的水工建筑物流場進行了三維數值模擬研究，驗證了該方法的可行性。例如：成立等對泵站進水池內部流態和各斷面速度分布規律進行了模擬研究；于永海等對側向引水及進水泵站進水側流場進行了數值模擬；俞龍祥通過建立CFD模型對某泵站進水池吸水管口安裝與淹沒深度進行優化設計；張亞等采用CFD方法對梁寨閘站泵裝置流道進行了優化設計；張志彪等用三維數值模擬軟件對立式軸流泵直管式出水流道設計方案進行了CFD水力設計研究；楊寧等基于CFD對鄭集東站方案進行了優化設計。然而，國際上對于深隧排水調蓄工程的水力學問題研究甚少，國內深隧工程規劃建設剛剛起步，相關研究更是稀缺，不同的深層排水調蓄系統又有著各自的工程特性，難以直接借鑒。對于深隧系統工程入流綜合設施的水力特性目前尚缺乏相關研究，本文主要采用CFD三維數值模擬手段，對一種典型深隧入流綜合設施結構在不同進水流量下的水力特性進行研究，旨在為深隧入流綜合設施結構布置方案提供科學依據。

1 模型建立與研究方案

以國內某地區擬建的深隧系統工程為例，按其深隧入流綜合設施工藝設計圖建立三維數值模型。模型幾何結構如圖1所示，包含一個入流進口、淺層排水管道尾段、三個前室、三個沉砂池、后室、引水渠、和兩個出水口(即豎井進口)；其中綜合設施進口(即淺層排水管道尾段)直徑為6m，引水渠末端用分隔板將流道分割，通向雙螺旋式豎井的兩個進口，每條流道寬8m,高8.5m；每個沉砂池前端連接兩個內置攔污格柵的進水道，底部布置1m深的沉砂坑，后端花墻上等距布置若干1m×1m的出水孔。模型的坐標軸原點設在入流進口中心，整個模型長62.4m、寬70.8m、高11.5m。模型忽略了格柵、沉砂坑對于流道流量分配和流場均勻性的影響，對攔污格柵、沉砂池沉砂坑等局部工藝進行了合理簡化。

圖1 深隧入流綜合設施模型結構示意圖

深隧入流綜合設施三維模型中，水流自淺層排水管道進入綜合設施內部，流經三個前室，由底部進入六個進水道，經攔污格柵后進入三個沉砂池，沉砂后通過花墻進入后室，自后室上端三個出流洞跌至引水渠內，經彎道導流后由分流板分成兩股水流，分別跌入豎井的兩個進口(引水渠出口與豎井進口存在高程差)。深隧入流綜合設施進口設為質量流量進口邊界，所建立的綜合設施模型已包含了豎井局部段、即從豎井進口至第一級臺階部分，豎井的進口位置應位于引水渠彎道后端，而綜合設施出口實際為豎井內部第一級臺階末端截面、為自由跌落水流，故將出口邊界設為壓力明渠出口、自由液面高度低于出口底高程，以模擬水流自引水渠進入豎井后沿臺階自由跌落。綜合設施頂部均設有通道聯通大氣，故將模型頂部設為大氣壓力邊界；并對三個前室頂高程進行了適當加高，以防水流自頂部溢出、造成進出口流量不平衡；其余外部邊界均設為光滑壁面。為便于分析計算，將模型坐標原點設在豎井中心線上，Z軸向上為正。

綜合設施流場內為水氣兩相自由液面流動，采用VOF方法對水氣交界面進行追蹤；將空氣視為主相、液態水視為第二相，兩相均視作不可壓縮流體且相間的質量及熱量交換， 均忽略不計。湍流模型選擇Realizable k-ε模型，采用壁面函數法模擬近壁面區域流動，并基于壓力求解器對速度壓力場進行兩步修正的PISO算法。湍流方程、VOF方程和動量方程分別采用一階迎風格式、具有三階精度的QUICK格式及二階迎風格式進行離散。

基于Auto CAD軟件建立綜合設施三維數值模擬模型，借助Gambit軟件對模型進行計算網格劃分。經試算，當網格數在170萬以上時，綜合設施三維數值模擬結果隨網格數變化較小、通過網格無關性驗證。綜合考慮流場模擬精度與計算效率間的平衡性，采用網格數為2127947的計算模型。

分別以20m3/s、40m3/s、60m3/s、80m3/s的進水流量共建立4個研究方案，對不同流量下綜合設施水力特性進行研究，從整體和局部流態、壓力分布、各流道流量分配、沉砂池流場均勻度四個方面對綜合設施的流場模擬結果進行分析，研究綜合設施在不同進水流量下的基本流態和進水流量對綜合設施流場均勻度與穩定性的影響、以及綜合設施結構布置方案在不同流量下能否充分發揮攔污沉砂和平穩出流作用的探討。

2 整體流態

如圖2—3所示為綜合設施不同流量下的三維流場水氣分布(水體積分數0.5以上默認為氣體、圖上不顯示)和壓力分布圖。由圖2可知，流量從20m3/s到80m3/s，綜合設施內水位隨著流量升高而增加，但水流整體形態基本相似：水流自淺層排水管道進入綜合設施，經攔污格柵攔截后進入沉砂池，沉砂后自由拋物線跌落至引水渠，經彎道導流由分流板分流成兩股水流后跌入豎井；整個綜合設施均處于明流狀態。前室、沉砂池、后室部分水面較為平穩，引水渠前段受后室上端出流影響水面起伏較大，但引水渠后段經彎道導流后水面較為平穩；分流板分流后，水流撞擊豎井內壁造成局部水面輕微雍高。由圖3可知，壓力隨流量變化較小，無極端高壓、負壓出現，壓力分布較為均衡；隨著進口流量增加，水位上升，綜合設施底部壓力增大，頂部連通大氣、壓力變化較小。

圖2 綜合設施不同流量下三維水氣體積分數云圖

圖3 綜合設施不同流量下三維壓力分布云圖

分別提取綜合設施在四個進水流量下三個前室、三個沉砂池和后室的平均水位(取水體積分數值為0.5的等值面視為水氣交界面)，見表1。由表1可知，在不同流量下綜合設施從前室1開始至后室均呈現出不同程度的水位下降趨勢，即從進口至出口水位逐漸降低。在低流量時各室水位差異較小，隨著流量增加各室水位逐漸上升且水位差增大。不同流量下的三個沉砂池水位基本接近。

表1 不同流量下綜合設施各室平均水位

綜合以上對綜合設施在不同流量下的整體流態分析可知：

(1)不同流量下綜合設施整體流態基本相似：

整個綜合設施均處于明流狀態，從進口至出口各室水位呈逐漸降低趨勢，三個沉砂池之間水位接近，引水渠末端出流平穩；整體流場壓力分布較為均衡，無極端高壓、負壓出現，引水渠前段壁面受出后室出流沖擊存在三個相對高壓區。

(2)隨著進口流量增大，綜合設施內各室水位逐漸升高、水位差異增大，引水渠前段三個相對高壓區面積擴大、壓力增加，但綜合設施整體壓力隨流量變化較小。

3 斷面流量分配均勻度

對不同流量下綜合設施中包括水流攔污格柵進口、沉沙池出口、引水渠道出口等主要斷面的各流道流量分配均勻度進行研究，分別提取斷面上所有流道流量，計算某一流道流量占所有流道總流量的比例。提取的斷面包括：前室1的3個出口斷面、6個格柵進口斷面(即沉砂池進水道的進口)、3個沉砂池出口斷面(花墻入口)、后室的3個出口斷面以及引水渠至豎井的2個出口斷面。經計算，各斷面上流量占整體流道流量比例結果見表2。在20m3/s 的進水流量條件下，綜合設施前室至后室段水流分配均勻度較低，前室1的出口斷面處中間出水口流量明顯高于兩側、占總流道流量的70%左右；經前室2、3內重新分配后，格柵進口斷面處各進口流量從兩邊外側向內逐漸降低、其中中間兩個進口流量之和約占總流道的四分之一；沉砂池出口斷面水流分配情況與格柵進口處相對應；水流在后室中匯集、重新分配，后室出口處水流流量分配較為均勻，各自約占三分之一；引水渠導流后，分流板將水流分為均勻兩股流出。進水流量分別為40m3/s、60m3/s、80m3/s時，各斷面水流分配情況較為相似：前室1出口處中間流道流量占比較高、超過40%；三個沉砂池進出口流量均勻度較

表2 不同進水流量下主要過流斷面流量分配百分比

20m3/s 的情況下明顯提高，沉砂池3(即遠離豎井側)的進出流量略高于其他兩個沉砂池；后室出口斷面及引水渠出口斷面各流道分配均勻度較高。

由此可知，不同進口流量下，綜合設施前段流道流量分配均勻度較低，但經綜合設施重新分配后各流道流量逐漸趨于均勻；在較大流量時(40m3/s、60m3/s、80m3/s)，綜合設施各流道流量分配均勻度幾乎不受進水流量的影響；在低進口流量時(20m3/s)，綜合設施前段流道流量分配均勻度明顯降低，且越靠近進口、流道流量分配越不均勻。

4 沉砂池流場均勻度

為研究綜合設施沉砂池在不同流量下的沉砂效果，對沉砂池流場均勻度進行分析。做出綜合設施在不同進口流量下的流線圖，流線顏色用流速表示，如圖4所示。

由圖4可知，不同流量下，前室流線紊亂、存在不同程度的渦旋，進入沉砂池后流線逐漸平穩、流速顯著降低，引水渠前段受后室出口跌流影響流線擾動明顯、后段彎道至出口流線平穩順暢。在20m3/s的進水流量時，沉砂池流線均較順暢，但由上節分析已知，低流量時中間沉砂池的進水流量分配略低，故而該沉砂池內流線出現略向兩側彎曲形態。進水流量40m3/s時，沉砂池進口各流道流量分配均勻，此時三個沉砂池流線形態較為接近。隨著進水流量加大，60m3/s時沉砂池上層流線出現擾動彎曲，到80m3/s時出現明顯的水平較大渦旋，但下層流線較為平穩，整個沉砂池流速較低。

圖4 綜合設施不同流量下流線圖

為更好說明沉砂池流場的水流流速均勻程度，對水流的垂向速度分布進行分析。在位置分別為X=4、12、20m的沉砂池沿水流方向的三個截面上(分別編號為m=1、2、3)，沿Y方向每隔1.5m提取一條垂線共提取7條垂線(分別編號為n=1、2、3、4、5、6、7)垂線編號為m-n：其中m表示沉砂池截面位置編號，n表示垂線位置編號)，分別計算垂線上的水流速度平均值，計算結果如圖5所示。

由圖5分析可知：進水流量為20m3/s時，沉砂池整體平均流速較低且均勻度高；進水流量增加至40m3/s時，沉砂池整體平均流速略有提高但分布均勻度輕微降低，其中兩側沉砂池靠近內側入口處流速增加明顯；進水流量為60m3/s時，沉砂池平均流速繼續增加、均勻度降低明顯，中、后段流速分布接近，三個沉砂池垂向平均流速曲線成近似馬鞍形分布，即兩側略高、中間略低；進水流量達到80m3/s時，整體流速繼續升高但基本在1m/s以內，前中后三處流速曲線較為混亂、流場不均勻度下降。

圖5 不同進水流量下沉砂池垂線平均速度曲線圖

綜上所述，在低進水流量時沉砂池流速較低、均勻度較高、沉砂效果較好；隨著進水流量增加，沉砂池流速增加，均勻度略有下降、沉砂效果隨之下降；但不同流量下的沉砂池整體流速較小、基本低于1m/s。

5 結語

本文采用三維數值模擬手段對深層隧道調蓄系統工程的一種典型綜合設施結構在不同進水流量下的流場進行了數值模擬，并對綜合設施的流場流態、流量分配、流場均勻度等進行了分析，結論如下：

(1)綜合設施在不同進水流量下的基本流態相似：整個流場均處于明流狀態，壓力分布較為均衡，無極端高壓、負壓出現；沉砂池及前后室水面平穩；引水渠前段受后室出水沖擊影響水面起伏較大、后段出流平穩，引水渠內后室出流洞對側壁面與底面交界處存在局部高壓區。進水流量增大時，綜合設施各處水位升高，后室出流對引水渠沖擊壓力增加，但綜合設施整體流場壓力變化較小。

(2)不同流量下，綜合設施前段流道流量分配均勻度較低，但綜合設施能夠發揮均勻流道流量的作用，能夠為豎井提供平穩均勻出流。進口流量對綜合設施流道流量分配均勻度影響較小，但低流量時前室流道流量分配均勻度略有降低。

(3)沉砂池流場均勻度受進水流量影響較小。在低流量時，沉砂池流速較低、均勻度較高、沉砂效果較好；隨著流量增加，沉砂池均勻度有所下降、沉砂效果略有下降。

本文僅對深隧綜合設施的水力特性進行了數值模擬和分析，還需要對深層隧道排水調蓄系統工程的入流系統、表-深銜接系統和主隧系統等的水力特性進行深入研究，為深層隧道排水調蓄系統工程應用提供科學依據。