折板式豎井折板間隔對水流水力特性影響分析

孫迎霞，薛英文，梁舒豪

[1.同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092；2.武漢大學土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072；3.湖北省城市綜合防災與消防救援工程技術研究中心，湖北 武漢 430072；4.湖南省建筑設計院有限公司，湖南 長沙 410011]

0 引 言

折板式豎井[1]，一種常用于深隧[2]工程的水工消能構筑物，可以將市政排水系統中的雨、污水或合流污水轉輸到隧道中。這類豎井的主體結構[1]通常分成兩部分，一部分設置縱橫交錯的折板，使進入到豎井內的水流撞擊在折板或邊壁上，隨后經過往復跌落到豎井底部，即“濕室”，另一部分不通過水流，即“干室”，兩部分設置通氣孔連接。折板式豎井構造簡單，不易受到空化的影響，不必設置特殊的進出口通道，且消能效果也較好，故在國內外排水深隧中得到較多的應用[3]。

目前，國內外對折板式豎井的相關研究還非常少。王志剛等[4]對折板式豎井內水流流態以及折板功能進行研究分析，發現折板式豎井的水流典型流態可分為往復跌水流和S型貼壁流，且不同層折板的主要功能有所側重，首層折板能調節水流，中間折板能消能，水下折板則是消能和將氣體從隧道內排出；ODGAARD A J等[1]、MARGEVICIUS A等[5]、STIRRUP M等[6]、王斌[3]等對豎井穩定運行工況以及豎井能安全通過的最大流量進行研究，得到了穩定過流和最大過流約束條件。ODGAARD A J等[1]對豎井內的煙霧流動情況進行研究，發現豎井內空氣流動緩慢，且對外所需通氣量較小。李璐等[7]通過對折板式豎井進行數值仿真，并通過模型試驗驗證，發現模擬計算與模型試驗結果吻合較好。

本文基于李璐等[7]經過合理驗證的數值模擬參數，對3組折板式豎井進行數值計算，得到豎井內流態、壓強、流速以及消能率水力特性參數的分布情況，并對折板間隔的影響進行分析。

1 豎井結構參數及物理模型

圖1為某工程中方案設計圖紙，設計規模4.07 m3/s。該豎井主要分為兩個部分，“濕室”和“干室”；“濕室”每隔一段距離設置折板，水流通過折板逐級跌路至底層，最終進入到隧道；“干室”通過通氣孔與“濕室”連通，內部不通過水流，頂板設有除臭間，滿足通風及除臭功能。

圖1 折板式豎井初始方案設計圖（單位：mm）

考慮到折板式豎井內可以達到充分通氣條件，以及本文主要研究點在于“濕室”內折板間隔對水流的影響，故在初始方案的基礎上去掉“干室”部分，并對豎井內的折板間隔、折板長度、折板寬度等結構參數進行局部的優化設計，簡化后的模型以及相應的結構參數分別見圖2和表1。

圖2 折板式豎井簡化示意圖

表1 不同體型豎井參數表

2 數學模型建立

根據李璐等[7]研究結果，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為軸坐標分量；為紊流切應力；fi為質量力分量；μ為動力粘度系數；k為紊動能；ε為紊動耗散率；Gk為紊動能產生項。

本次計算模型內的流場為瞬態流，同時選用VOF多相流模型結合Realizable k-ε模型、PISO算法進行計算。

對計算區域進行結構化網格劃分，網格尺寸約0.05~0.2 mm，總數約115萬。對于求解參數設置，經過相應的調試，計算時間步長設置為0.005~0.01 s，計算后的結果采用TECPLOT軟件進行后處理。

3 結果與分析

3.1 流態

圖3為S1、S2、S3折板式豎井內水流流態圖。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移至邊壁上，這樣豎井內水流流態就會轉變成S型貼壁流。其中，圖3（a）為典型的往復跌水流流態，豎井內折板共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，在豎井內除第二層折板外，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）為上述兩種流態的過渡狀態，即過渡流，理論上豎井內水舌應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計圖

3.2 壓強

圖4～圖9為S1、S2、S3豎井內某些折板上表面或邊壁縱向中心壓強分布圖。從圖4～圖9以及上文流態分析情況可知，隨著折板間隔的增大，流態從跌水流轉變成貼壁流，豎井內壓強分布規律也發生較大變化。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；從圖中可以發現，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現，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存在漩渦且漩渦轉向是沿壁面向上，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，甚至會出現負壓，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，其數值甚至超過水舌與壁面撞擊處產生的最大壓強。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分別逐漸減小。對比三組豎井時均壓強最大峰值，發現S3豎井接近30 kPa，大于S1豎井，S2豎井最小。至于三組豎井內的脈動壓強分布情況，應與折板或邊壁的時均壓強分布基本相對應，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，產生負壓。

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

對三組豎井內不同折板或邊壁上時均壓強和脈動壓強計算結果進行對比，可以發現水流大約經過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。這可能是因為經過約6次跌落后，水流與折板或邊壁反復撞擊，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，經過幾次跌落后，流速略有些增大，但基本穩定在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，豎井內最上面幾層折板水流速度逐漸增大，呈現貼壁流速度分布規律，而后由于水流劇烈紊動，使得折板間呈現類似跌水流速度分布規律，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，無論水流流態為往復跌水流，還是S型貼壁流，經過3次跌落后，消能率均在80%以上，6次跌落后，達到了91%以上，最后S1豎井消能率達到了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。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 結論與展望

通過對三組不同折板間隔的豎井進行數值計算，得到豎井內水力特性參數的分布情況，研究表明：

（1）隨著折板間隔的增加，豎井內水流流態可從往復跌水流逐漸轉變為S型貼壁流。間距最大的S3為貼壁流流態。

（2）隨著流態轉變成貼壁流，時均壓強峰值會有所增大，但無論哪種流態，經過幾次跌落后，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生負壓。

（3）三種流態中，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，不利于豎井結構安全穩定。三種模型相比較S1流態優于另外兩種。

（4）根據李璐等[7]研究結果，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實際情況，由于本工程還未實施，但是通過數學模型模擬，得出方案設計圖紙中折板間距合理，能夠起到預期的消能作用。

（5）無論哪種流態，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負壓，這對豎井安全不利，在之后需要進一步研究分析；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條件，但在實際工程中，通氣與很多因素有關，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。