深隧入流综合设施水力特性CFD数值模拟研究

王希晨，张 健，施 伟，夏臣智

(1.南水北调东线江苏水源有限责任公司，江苏 南京 210019；2.河海大学，江苏 南京 210098)

近些年来，随着社会经济建设、城市化的快速发展，全球气候变化影响下的暴雨等极端天气频繁发生，突发性强降雨对城市排水系统提出了更高的要求。城市内涝问题已成为阻碍我国城市化进程中的一大难题。深层隧道排水调蓄系统(简称深隧系统)工程，作为海绵城市建设中一种新型战略措施，能有效缓解大型城市用地紧张、建筑密集、浅层地下空间饱和与突发性强降雨对城市排水系统要求高之间的矛盾。为了提高城市防洪排涝的能力，针对中心城区地面硬化率高、建筑密度大、地下各市政管线错综复杂、人口密集、防汛压力大等特点，美国芝加哥、日本东京、英国泰晤士、法国巴黎及墨西哥、新加坡等地规划建设了深隧系统工程。近年来，我国的广州、上海、武汉、成都、重庆等城市已开始规划建设中心城区深层隧道调蓄系统工程。深层隧道调蓄系统工程中，雨水从地下浅层排水管道经竖井消能后输送至深层主隧；在浅层排水管道出口至竖井进口之间通常布置包含拦污栅、沉砂池等综合设施构成入流系统，其出水流态直接影响到后续表-深衔接系统和主隧系统内水流形态。因此，对入流综合设施水力特性进行研究，对于深层隧道调蓄系统工程设计和运行工况控制都至关重要。研究深隧系统工程的水力学问题可以采用数值模拟和物理模型试验等多种手段。计算流体动力学(CFD)三维数值方法不受试验条件的限制，对于模拟复杂结构流场中的流态具有明显优势。国内外许多学者采用CFD方法对各种结构形式的水工建筑物流场进行了三维数值模拟研究，验证了该方法的可行性。例如：成立等对泵站进水池内部流态和各断面速度分布规律进行了模拟研究；于永海等对侧向引水及进水泵站进水侧流场进行了数值模拟；俞龙祥通过建立CFD模型对某泵站进水池吸水管口安装与淹没深度进行优化设计；张亚等采用CFD方法对梁寨闸站泵装置流道进行了优化设计；张志彪等用三维数值模拟软件对立式轴流泵直管式出水流道设计方案进行了CFD水力设计研究；杨宁等基于CFD对郑集东站方案进行了优化设计。然而，国际上对于深隧排水调蓄工程的水力学问题研究甚少，国内深隧工程规划建设刚刚起步，相关研究更是稀缺，不同的深层排水调蓄系统又有着各自的工程特性，难以直接借鉴。对于深隧系统工程入流综合设施的水力特性目前尚缺乏相关研究，本文主要采用CFD三维数值模拟手段，对一种典型深隧入流综合设施结构在不同进水流量下的水力特性进行研究，旨在为深隧入流综合设施结构布置方案提供科学依据。

1 模型建立与研究方案

以国内某地区拟建的深隧系统工程为例，按其深隧入流综合设施工艺设计图建立三维数值模型。模型几何结构如图1所示，包含一个入流进口、浅层排水管道尾段、三个前室、三个沉砂池、后室、引水渠、和两个出水口(即竖井进口)；其中综合设施进口(即浅层排水管道尾段)直径为6m，引水渠末端用分隔板将流道分割，通向双螺旋式竖井的两个进口，每条流道宽8m,高8.5m；每个沉砂池前端连接两个内置拦污格栅的进水道，底部布置1m深的沉砂坑，后端花墙上等距布置若干1m×1m的出水孔。模型的坐标轴原点设在入流进口中心，整个模型长62.4m、宽70.8m、高11.5m。模型忽略了格栅、沉砂坑对于流道流量分配和流场均匀性的影响，对拦污格栅、沉砂池沉砂坑等局部工艺进行了合理简化。

图1 深隧入流综合设施模型结构示意图

深隧入流综合设施三维模型中，水流自浅层排水管道进入综合设施内部，流经三个前室，由底部进入六个进水道，经拦污格栅后进入三个沉砂池，沉砂后通过花墙进入后室，自后室上端三个出流洞跌至引水渠内，经弯道导流后由分流板分成两股水流，分别跌入竖井的两个进口(引水渠出口与竖井进口存在高程差)。深隧入流综合设施进口设为质量流量进口边界，所建立的综合设施模型已包含了竖井局部段、即从竖井进口至第一级台阶部分，竖井的进口位置应位于引水渠弯道后端，而综合设施出口实际为竖井内部第一级台阶末端截面、为自由跌落水流，故将出口边界设为压力明渠出口、自由液面高度低于出口底高程，以模拟水流自引水渠进入竖井后沿台阶自由跌落。综合设施顶部均设有通道联通大气，故将模型顶部设为大气压力边界；并对三个前室顶高程进行了适当加高，以防水流自顶部溢出、造成进出口流量不平衡；其余外部边界均设为光滑壁面。为便于分析计算，将模型坐标原点设在竖井中心线上，Z轴向上为正。

综合设施流场内为水气两相自由液面流动，采用VOF方法对水气交界面进行追踪；将空气视为主相、液态水视为第二相，两相均视作不可压缩流体且相间的质量及热量交换， 均忽略不计。湍流模型选择Realizable k-ε模型，采用壁面函数法模拟近壁面区域流动，并基于压力求解器对速度压力场进行两步修正的PISO算法。湍流方程、VOF方程和动量方程分别采用一阶迎风格式、具有三阶精度的QUICK格式及二阶迎风格式进行离散。

基于Auto CAD软件建立综合设施三维数值模拟模型，借助Gambit软件对模型进行计算网格划分。经试算，当网格数在170万以上时，综合设施三维数值模拟结果随网格数变化较小、通过网格无关性验证。综合考虑流场模拟精度与计算效率间的平衡性，采用网格数为2127947的计算模型。

分别以20m3/s、40m3/s、60m3/s、80m3/s的进水流量共建立4个研究方案，对不同流量下综合设施水力特性进行研究，从整体和局部流态、压力分布、各流道流量分配、沉砂池流场均匀度四个方面对综合设施的流场模拟结果进行分析，研究综合设施在不同进水流量下的基本流态和进水流量对综合设施流场均匀度与稳定性的影响、以及综合设施结构布置方案在不同流量下能否充分发挥拦污沉砂和平稳出流作用的探讨。

2 整体流态

如图2—3所示为综合设施不同流量下的三维流场水气分布(水体积分数0.5以上默认为气体、图上不显示)和压力分布图。由图2可知，流量从20m3/s到80m3/s，综合设施内水位随着流量升高而增加，但水流整体形态基本相似：水流自浅层排水管道进入综合设施，经拦污格栅拦截后进入沉砂池，沉砂后自由抛物线跌落至引水渠，经弯道导流由分流板分流成两股水流后跌入竖井；整个综合设施均处于明流状态。前室、沉砂池、后室部分水面较为平稳，引水渠前段受后室上端出流影响水面起伏较大，但引水渠后段经弯道导流后水面较为平稳；分流板分流后，水流撞击竖井内壁造成局部水面轻微雍高。由图3可知，压力随流量变化较小，无极端高压、负压出现，压力分布较为均衡；随着进口流量增加，水位上升，综合设施底部压力增大，顶部连通大气、压力变化较小。

图2 综合设施不同流量下三维水气体积分数云图

图3 综合设施不同流量下三维压力分布云图

分别提取综合设施在四个进水流量下三个前室、三个沉砂池和后室的平均水位(取水体积分数值为0.5的等值面视为水气交界面)，见表1。由表1可知，在不同流量下综合设施从前室1开始至后室均呈现出不同程度的水位下降趋势，即从进口至出口水位逐渐降低。在低流量时各室水位差异较小，随着流量增加各室水位逐渐上升且水位差增大。不同流量下的三个沉砂池水位基本接近。

表1 不同流量下综合设施各室平均水位

综合以上对综合设施在不同流量下的整体流态分析可知：

(1)不同流量下综合设施整体流态基本相似：

整个综合设施均处于明流状态，从进口至出口各室水位呈逐渐降低趋势，三个沉砂池之间水位接近，引水渠末端出流平稳；整体流场压力分布较为均衡，无极端高压、负压出现，引水渠前段壁面受出后室出流冲击存在三个相对高压区。

(2)随着进口流量增大，综合设施内各室水位逐渐升高、水位差异增大，引水渠前段三个相对高压区面积扩大、压力增加，但综合设施整体压力随流量变化较小。

3 断面流量分配均匀度

对不同流量下综合设施中包括水流拦污格栅进口、沉沙池出口、引水渠道出口等主要断面的各流道流量分配均匀度进行研究，分别提取断面上所有流道流量，计算某一流道流量占所有流道总流量的比例。提取的断面包括：前室1的3个出口断面、6个格栅进口断面(即沉砂池进水道的进口)、3个沉砂池出口断面(花墙入口)、后室的3个出口断面以及引水渠至竖井的2个出口断面。经计算，各断面上流量占整体流道流量比例结果见表2。在20m3/s 的进水流量条件下，综合设施前室至后室段水流分配均匀度较低，前室1的出口断面处中间出水口流量明显高于两侧、占总流道流量的70%左右；经前室2、3内重新分配后，格栅进口断面处各进口流量从两边外侧向内逐渐降低、其中中间两个进口流量之和约占总流道的四分之一；沉砂池出口断面水流分配情况与格栅进口处相对应；水流在后室中汇集、重新分配，后室出口处水流流量分配较为均匀，各自约占三分之一；引水渠导流后，分流板将水流分为均匀两股流出。进水流量分别为40m3/s、60m3/s、80m3/s时，各断面水流分配情况较为相似：前室1出口处中间流道流量占比较高、超过40%；三个沉砂池进出口流量均匀度较

表2 不同进水流量下主要过流断面流量分配百分比

20m3/s 的情况下明显提高，沉砂池3(即远离竖井侧)的进出流量略高于其他两个沉砂池；后室出口断面及引水渠出口断面各流道分配均匀度较高。

由此可知，不同进口流量下，综合设施前段流道流量分配均匀度较低，但经综合设施重新分配后各流道流量逐渐趋于均匀；在较大流量时(40m3/s、60m3/s、80m3/s)，综合设施各流道流量分配均匀度几乎不受进水流量的影响；在低进口流量时(20m3/s)，综合设施前段流道流量分配均匀度明显降低，且越靠近进口、流道流量分配越不均匀。

4 沉砂池流场均匀度

为研究综合设施沉砂池在不同流量下的沉砂效果，对沉砂池流场均匀度进行分析。做出综合设施在不同进口流量下的流线图，流线颜色用流速表示，如图4所示。

由图4可知，不同流量下，前室流线紊乱、存在不同程度的涡旋，进入沉砂池后流线逐渐平稳、流速显著降低，引水渠前段受后室出口跌流影响流线扰动明显、后段弯道至出口流线平稳顺畅。在20m3/s的进水流量时，沉砂池流线均较顺畅，但由上节分析已知，低流量时中间沉砂池的进水流量分配略低，故而该沉砂池内流线出现略向两侧弯曲形态。进水流量40m3/s时，沉砂池进口各流道流量分配均匀，此时三个沉砂池流线形态较为接近。随着进水流量加大，60m3/s时沉砂池上层流线出现扰动弯曲，到80m3/s时出现明显的水平较大涡旋，但下层流线较为平稳，整个沉砂池流速较低。

图4 综合设施不同流量下流线图

为更好说明沉砂池流场的水流流速均匀程度，对水流的垂向速度分布进行分析。在位置分别为X=4、12、20m的沉砂池沿水流方向的三个截面上(分别编号为m=1、2、3)，沿Y方向每隔1.5m提取一条垂线共提取7条垂线(分别编号为n=1、2、3、4、5、6、7)垂线编号为m-n：其中m表示沉砂池截面位置编号，n表示垂线位置编号)，分别计算垂线上的水流速度平均值，计算结果如图5所示。

由图5分析可知：进水流量为20m3/s时，沉砂池整体平均流速较低且均匀度高；进水流量增加至40m3/s时，沉砂池整体平均流速略有提高但分布均匀度轻微降低，其中两侧沉砂池靠近内侧入口处流速增加明显；进水流量为60m3/s时，沉砂池平均流速继续增加、均匀度降低明显，中、后段流速分布接近，三个沉砂池垂向平均流速曲线成近似马鞍形分布，即两侧略高、中间略低；进水流量达到80m3/s时，整体流速继续升高但基本在1m/s以内，前中后三处流速曲线较为混乱、流场不均匀度下降。

图5 不同进水流量下沉砂池垂线平均速度曲线图

综上所述，在低进水流量时沉砂池流速较低、均匀度较高、沉砂效果较好；随着进水流量增加，沉砂池流速增加，均匀度略有下降、沉砂效果随之下降；但不同流量下的沉砂池整体流速较小、基本低于1m/s。

5 结语

本文采用三维数值模拟手段对深层隧道调蓄系统工程的一种典型综合设施结构在不同进水流量下的流场进行了数值模拟，并对综合设施的流场流态、流量分配、流场均匀度等进行了分析，结论如下：

(1)综合设施在不同进水流量下的基本流态相似：整个流场均处于明流状态，压力分布较为均衡，无极端高压、负压出现；沉砂池及前后室水面平稳；引水渠前段受后室出水冲击影响水面起伏较大、后段出流平稳，引水渠内后室出流洞对侧壁面与底面交界处存在局部高压区。进水流量增大时，综合设施各处水位升高，后室出流对引水渠冲击压力增加，但综合设施整体流场压力变化较小。

(2)不同流量下，综合设施前段流道流量分配均匀度较低，但综合设施能够发挥均匀流道流量的作用，能够为竖井提供平稳均匀出流。进口流量对综合设施流道流量分配均匀度影响较小，但低流量时前室流道流量分配均匀度略有降低。

(3)沉砂池流场均匀度受进水流量影响较小。在低流量时，沉砂池流速较低、均匀度较高、沉砂效果较好；随着流量增加，沉砂池均匀度有所下降、沉砂效果略有下降。

本文仅对深隧综合设施的水力特性进行了数值模拟和分析，还需要对深层隧道排水调蓄系统工程的入流系统、表-深衔接系统和主隧系统等的水力特性进行深入研究，为深层隧道排水调蓄系统工程应用提供科学依据。