富春江船闸改扩建工程围堰过水水流流场数值模拟

吴启和　韩继斌　任坤杰

(1. 中交第二航务工程局有限公司， 武汉　430040； 2. 长江科学院， 武汉　430010)



富春江船闸改扩建工程围堰过水水流流场数值模拟

吴启和1韩继斌1任坤杰2

(1. 中交第二航务工程局有限公司， 武汉430040； 2. 长江科学院， 武汉430010)

富春江船闸改扩建工程施工时，部分围堰处于枢纽泄洪消能区，围堰附近水流流速大、流态复杂，对施工围堰稳定不利．本文采用带自由表面的三维k-ε水气两相紊流数学模型，模拟过水围堰区域复杂的水流流场，获取围堰附近的流态、流速分布、涡量分布及压力分布规律，为围堰防护设计与施工安全提供依据．

围堰；数值模拟；流态；流速；涡量

富春江水电站位于浙江桐庐县富春江七里垅峡谷出口处，距上游建德和兰溪分别为53 km和100 km．电站枢纽自左至右为发电厂房、溢洪闸坝段、船闸及右岸挡水坝段等，富春江船闸上下游均具备水运条件，300 t级船舶可达上游建德、兰溪，下游500 t级船舶可达杭州，并连接京杭运河与杭甬运河．富春江船闸改扩建时，采用施工围堰将老船闸及下游施工区域进行围护，利于枯水期船闸改扩建工程的安全有序开展．枢纽及围堰布置如图1所示．

图1　富春江水电站枢纽与施工围堰平面布置示意图

富春江改扩建施工围堰处于右侧5孔溢洪闸下游，横向围堰及部分纵向围堰处于枢纽泄洪消能区，此区域水流流态复杂、流速大，紊动水流与气体混掺，撞击、对冲围堰及坡脚，极易造成围堰坡脚的严重冲刷，危及施工围堰的结构稳定安全．因此，通过数学模型计算分析施工期富春江船闸改扩建施工围堰附近水流流场是非常必要的[1-2]，可为施工围堰防护设计与施工安全提供依据．本文采用带自由表面的三维k-ε水气两相紊流数学模型模拟围堰水流流场，并考虑实际河道地形对水流的影响，分析泄洪消能区内围堰附近水流的流态、流速、涡量及压力特性，为围堰的稳定防渗抗冲防护提供水力学指标．

1　数学模型

1.1控制方程

采用带自由表面的三维k-ε和水气两相紊流数学模型的控制方程[3]，包括连续方程与运动方程：

(1)

(2)

k-ε方程：

(3)

(4)

式中，t为时间；ui、uj、xi、xj分别为速度分量与坐标分量；μ、μt分别为动力粘性系数与紊动粘性系数，μt=Cuκ2/ε；p为修正压力；fi为质量力；Cκ为平均速度梯度产生的紊动能项，Cκ=μt[(∂ui/∂xj+∂uj/∂xi)(∂ui/∂xj)]；经验常数Cu=0.09，σk=1.0，σε=1.33，C1ε=1.44，C2ε=1.42．

追踪模拟自由面采用VOF方法，在控制体积内对第q相流体的体积分数定义为θq=0表示控制体内无q相流体；αq=1表示控制体内充满q相流体；0<αq<1表示控制体内部分充满q相流体，对所有流体的体积分数总和为1，即ρ=∑αqρq，1．每个控制体内混合流体的密度μ=∑αqμq；每个控制体内混合流体的粘性为 ．第q相流体输运控制方程：

(5)

采用控制体积法对方程组进行离散，采用对压力初始值依赖性不强且收敛性较好的SIMPLER法进行数值计算[4-7]．

1.2计算区域确定与网格划分

富春江船闸改扩建施工时，纵向围堰将下游河道分割为两部分，横向围堰封堵基坑上下游．汛期泄洪时，水流漫过围堰进入基坑行洪．计算条件选择汛期来流量最大的不利运行条件：上游来流15 300 m3/s，分别采用17孔溢洪闸与12孔溢洪闸(右侧12孔关闭)敞泄宣泄洪水．

计算区域包括富春江上游部分库区、17孔溢洪闸、上游横向围堰、纵向围堰、下游河道等区域，全长约2 km，计算区域如图2所示．整个计算区域采用贴体六面体网格进行划分，网格总数约为60万，计算区域壁面网格如图3所示．

图2　计算区域示意图　　　图3　计算区域壁面网格划分示意图

1.3定解条件

计算区域内，上游入流边界采用流量边界条件，控制来流流量；下游出流边界采用水位边界条件，控制下游水位．

2　模拟结果

图4为区域内主河道与基坑纵切面流态，图中深色表示气体、浅色表示水体；图5、图6为区域内主河道与基坑纵切面流速分布、水平切面流速分布，图中颜色由深至浅表示流速由小至大；图7为纵向围堰左侧沿程垂向流速分布变化．由图4可知，库区水流较为平顺，水流至消力池形成水跃，水流掺混、紊动后向下游行进．17孔溢洪闸泄洪时，纵向围堰右侧水流出闸室进入消力池且受到横向围堰的阻挡，形成强水跃、顶冲围堰，加剧围堰及坡脚的冲刷；部分水体翻越横向围堰进入施工基坑内．

图4　区域内沿纵切面的流态示意图

由图5可知，库区水流流速小，水流进入溢洪闸流道束窄流速增大，过堰顶后流速增至最大；水流出闸室进入消力池后潜底下行上卷形成水跃，消力池内底部流速大、表面流速小．17孔溢洪闸泄洪时，正对横向围堰的闸孔下泄水流对横向围堰形成顶冲，流速约为3.5m/s，部分水体翻越横向围堰进入施工基坑，流速较小．12孔泄洪时，避免了坝体下泄水流对上游横向围堰的顶冲，流速由3.5m/s减小为1.2m/s．

图5　区域内纵切面流速分布示意图

由图6可知，17孔溢洪闸泄洪时，纵向围堰左侧流速较大，自纵向围堰与上游横向围堰交汇处向下游形成狭长的较高流速带，沿程流速呈减小趋势；12孔泄洪时，围堰左侧流速较17孔泄洪工况大幅减小，可有效减弱水流对围堰的局部冲刷．

图6　水平切面流速分布示意图

由图7可知，纵向围堰左侧近坝区垂向流速呈表小、底大分布，底部流速大易造成围堰坡脚冲刷，远坝区水流逐渐调整为表大、底小分布；近坝区17孔流速较12孔流速较大，远坝区二者流速基本相当．17孔溢流坝运行时，0+120 m、0+260 m、0+420 m、0+580 m各横切面底部最大流速分别为5.28 m/s、4.51 m/s，3.60 m/s、3.67 m/s．

图7　纵向围堰左侧沿程垂向流速分布变化示意图

表1给出了各切面纵横围堰交汇处最大流速、涡量值．由表1可知，17孔各水平切面围堰交汇处最大流速基本一致，12孔运行时随切面高程的增大最大流速有所增大；17孔运行时流速较12孔运行时大，17孔运行时围堰交汇处最大流速为5.72 m/s．

表1　各切面纵横围堰交汇处最大流速、涡量

图8为区域内主河道与基坑水平切面涡量分布，图中颜色由深至浅表示涡量由小至大．由图7可知，17孔溢洪闸泄洪时，纵向围堰左侧涡量较大，自纵向围堰与上游横向围堰交汇处向下游形成狭长的较高涡量带，沿程涡量呈减小趋势；12孔泄洪时，围堰左侧涡量较17孔泄洪工况大幅减小．结合涡量分布图与流速分布图可以看出，涡量的分布规律与流速分布规律存在较好的对应性，近围堰水流流速越大，其与围堰坡面之间的剪切应力越大，形成涡量亦较大．

由表1可知，17孔各水平切面围堰交汇处随高程的增大，最大涡量有所减小，12孔运行时随切面高程的增大最大流速有所增大；17孔运行时涡量较12孔运行时大，17孔运行时围堰交汇处最大涡量为1.67/s．

图8　水平切面涡量分布示意图

图9为区域内主河道与基坑横切面压力梯度分布，图中颜色由深至浅表示压力梯度由小至大．由图9可知，17孔溢洪闸泄洪与12孔泄洪工况下，围堰附近沿水深方向的压力梯度约为-0.95～-1，表明围堰附近压力分布基本呈静压分布规律．

图9　沿横向剖面压力梯度分布示意图

3　结　论

利用带自由表面的三维k-ε和水气两相紊流数

学模型，模拟计算了富春江船闸改扩建施工围堰附近水流流场，计算结果表明，因横向围堰与部分纵向围堰处于大坝消能区内，当17孔溢洪闸泄洪时，在围堰交汇处附近出现高流速、高涡量流速带，极可能造成围堰的局部冲刷而危害其结构的稳定安全，应加强消能区内围堰坡脚的防护加固．同时，如改变泄洪调度方式，将正对横向围堰的5孔泄洪闸关闭，12孔泄洪闸泄洪，可有效的减小消能区内围堰附近的流速、涡量，削弱水流对围堰的局部冲刷．计算结果可为围堰防护设计与施工安全提供依据．

[1]贺昌海，张辉辉，杨栋．分期导流束窄河床的二维数值模拟研究[J]．华中科技大学学报：自然科学版，2005，33(3)：81-84．

[2]麻夏，张洁，陈九灵，等．峡江枢纽围堰施工河道水力特性2维数值模拟[J]．江西师范大学学报：自然科学版，2013，37(5)：544-550．

[3]姜治兵，槐文信，韩继斌，等．高拱坝下游水垫塘内流场的数值模拟[J]华中科技大学学报：自然科学版，2008，36(2)：126-128．

[4]张宁，李光正．一种改进的SIMPLER算法[J]．华中科技大学学报：自然科学版，2002，19(2)：28-31．

[5]邹春，刘朝霞，张立麒，等．不同湍流模型比较模拟撞击流[J]．华中科技大学学报：自然科学版，2006，34(9)：72-76．

[6]槐文信，曾小辉，杨中华．一维和二维溃坝波的混合有限分析解[J]．华中科技大学学报：自然科学版，2006，34(9)：48-50．

[7]张双全，符建平，段开林，等．三峡水轮机尾水管涡带的CFD数值模拟口[J]．华中科技大学学报：自然科学版，2006，34(7)：19-23．

[责任编辑周文凯]

Numerical Simulation of Flow Filed over Cofferdam on Fuchunjiang Ship Lock Extension Project

Wu Qihe1Han Jibin2Ren Kunjie2

(1. CCCC Second Harbor Engineering Company Ltd., Wuhan 430040, China; 2. Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China)

When the Fuchunjiang ship lock extension project is in construction, it is unfavorable for cofferdam stability of the flow with high velocity and complex flow patterns because of part of the cofferdam on flood energy dissipation in the hub area. The complex flow field in the nearby cofferdam is simulated by using three dimensional numerical model which is free surface and k-εturbulent mode. The flow pattern, velocity distribution, vorticity distribution and distribution of pressure around cofferdam are obtained, so as to provide the help for cofferdam design and construction safety.

cofferdam;numerical simulation;flow pattern；flow velocity；vorticity

2015-11-02

国家自然科学基金项目(51209007)；交通运输部气液技术创新项目(201431542 A060)

吴启和(1979-)，男，高工，硕士，主要研究方向为桥梁深水基础及防渗．E-mail： renkunjie@sina.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.04.005

TV132+.2

A

1672-948X(2016)04-0023-04