长距离大口径输水管道放空建筑物设计及数值模拟分析

新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000

1 工程概况

倒虹吸总长3.9km，全线由PCCP管及钢管组成，管径为3.5m，放空系统由放空钢管、消力井和溢流涵洞组成。放空钢管共3根，内径300mm，水平并列布置，间距1.3m。放空钢管上布置有闸阀，兼具控制与消能作用。钢管末端为半径0.6m的弯管，出口朝下，距消力井井底1.05m，其中，中间钢管出口位于竖井中心位置。消力井为圆形竖井，内径4m，高15.7m。消力井上部接溢流涵洞，涵洞断面为矩形，宽1.5m，高1.6m，坡度为1/200，涵洞起始端底板高程距消力井底部12.497m。涵洞末端与陡坡相接，将水排入下游河渠。

2 放空系统水力学数值模型

根据放空系统布置的水力特点，建立三维CFD数理模型，模型范围包括排水钢管（从工作闸阀后开始）、消能井和溢流涵洞。3根钢管起点为计算域进口，溢流涵洞终端为计算域出口。放空系统水流流动可认为是准稳态的不可压湍流流动，采用时均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技术捕捉。流动控制方程如下：

边界条件：进出口均为压力边界条件，进口压力根据有效工作水头及闸阀消能率计算给出，出口为自由出流。控制方程的离散采用有限体积法，速度与压力的解耦采用SIMPLE算法，对流项离散采用QUICK格式，体积分数离散采用修正的HRIC格式。

3 数值模型计算结果

针对闸阀的不同消能率进行数值模拟计算，计算工况如表1所示。

表1 计算工况表

（1）流态与流场。工况1和工况2消力井顶部及溢流涵洞均为明流，溢流涵洞水流平稳。随着闸阀消能率的增大，放空流量减小，消力井顶部水位及溢流涵洞水面线均降低，如图1所示。

图1 放空系统流态

受弯管影响，放空管出口射流核心区（高流速区）并非轴对称分布，而是向弯管外侧及两侧方向扩展。由于管出口距消力井底板距离较小，射流扩散效果不明显。另外，不同放空管射流核心区和扩散区的发展基本上相互不受影响。射流水股触底后向四周发散，在射流水股相互作用和消力井边壁约束下，在消力井底部形成旋流、水流对冲等现象。消力井下部是水流消能的主体部位。在消力井中上部，断面流速分布呈现中间小、周边大的特征，这种流速分布的不均匀程度随着排水流量的增大而加剧，流场更显紊乱，如图2所示。

图2 消力井底部流速矢量图

（2）压力分布。消力井内压力上小下大，呈现良好的静压分布特点，如图3所示。受射流冲击作用，底板冲击区局部压力明显较大，并向四周迅速降低坦化，如图4所示。由于放空管出口离底板较近，水流扩散不明显，冲击区压力较大，范围较小。随着放空管闸阀消能率的降低，消力井底板冲击压力随之增大，计算底板最大冲击压力分别为172kPa（工况2）、325kPa（工况1）。

图3 消力井压力分布

图4 消力井底板压力分布

消力井底板对冲轴线的压力分布如图5、图6所示，可以看出冲击区压力呈明显的双峰分布，且射流冲击区与放空管出口相比，有微小偏移，其根源是弯管引起管内高流速区的变形与偏移，进而影响射流核心区的发展变化。

图5 闸阀消能率为60%时消力井底板对冲轴线的压力分布

图6 闸阀消能率为90%时消力井底板对冲轴线的压力分布

（3）放空流量及消力井消能率。不同工况放空流量、放空管流速及消力井消能率如表2所示。消力井消能率计算公式如下：

表2 计算结果主要参数

式中：Ein为进口断面总能（重力势能+动能）；Eout为出口断面总能，按上式计算的消能率实际包括了放空管弯曲段和溢流涵洞的消能效果。计算得工况1、2放空流量分别为4.1m3/s、2.0m3/s，消力井消能率分别为95%和94%，可见消力井整体消能效果良好，计算工况下均达到90%以上。

4 结束语

综上所述，放空系统闸阀的消能率越低，其放空流量越大，随放空流量增加，放空管出射水流对消力井底板的冲击压力显著增大。放空管高流速位置主要发生在弯管处，若流速过高将会因水流分离诱发空化，可能发生空蚀破坏、振动及噪声等不利现象，因此放空系统应设置消能率较高的闸阀装置，以降低出口弯管段的水流流速。