阻水建筑物在河流数值模拟中的概化方法研究

2022-06-01王彩虹卢少为由星莹

水电与新能源 2022年5期

关键词：桥墩计算结果水位

王彩虹，程雪，卢少为，由星莹

(1. 湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉 430070； 2. 湖北省汉江兴隆水利枢纽管理局，湖北武汉 430062)

河道内的涉河建筑物(如桥梁、码头等)侵占部分河道过水面积，可能会对河道防洪造成一定影响。采用数学模型进行水流模拟时，采用的网格尺寸往往大于实际的桥墩尺寸，桥墩概化问题就显得尤为重要[1]。

1 桥墩概化方法

合理的桥墩概化方法是准确模拟桥墩附近水流流态的关键条件。数值模拟中桥墩概化方法主要有两种，等阻水面积法和等阻水体积法。

1)等阻水面积法[2]。当建筑物尺寸大于或与网格尺寸相当时，可直接根据建筑物高度来修改相应网格节点的河底高程；当建筑物尺寸相对网格尺寸较小时，假定河底高程增加值所阻挡的水流面积与工程所阻挡的水流面积相同，即迎流侧阻水的投影面积相等，通过增加工程所在处网格节点的河底高程来反映工程的阻水影响。

2)等阻水体积法。等阻水体积法的思想是工程所在位置处的网格增加高程值所占用的有效容积与建筑物在水下所占用的有效体积相等。故当桥墩尺寸大于或与网格尺寸相当时，桥墩所在网格处的高程增加值为桥墩的水下高度；当桥墩尺寸小于网格尺寸时，桥墩所在网格处的高程增加值为桥墩的水下有效体积除以桥墩所在处的网格面积。通过桥墩所在处网格的地形数据修正来反映工程对水流的影响。

本文分别采用等阻水面积和等阻水体积的桥墩概化方法，运用二维模型进行数值计算，通过变化网格尺寸的大小，分别计算不同网格尺寸下的桥墩壅水值，探讨等阻水面积和等阻水体积法的精度问题。

2 小尺度下桥墩水流模拟计算分析

2.1 小尺度下桥墩三维数值模拟计算方案

采用流体计算软件FLUENT提供的RNGκ-ε湍流模型，结合水气两相流VOF模型[3]进行数值模拟，采用有限体积法对基本方程进行离散，运用PISO算法对压力和速度进行耦合计算。

计算水槽长7.0 m，宽1.2 m，高0.3 m，桥墩尺寸为0.2 m×0.2 m×0.3 m。进口采用三种流量条件，分别为144、216、288 m3/h，出口水位始终固定在0.15 m。具体方案布置见表1。模拟计算结果分析见图1、图2。

表1 三维数值模拟计算方案布置表

图1 水位等值线图

图2 流速分布图(1/3 h)

三种计算方案条件下，桥墩上游均出现壅水，而下游和桥墩两侧水位均降低；同时由于桥墩位于水槽横向中心位置，桥墩迎水面及桥墩两侧水位呈对称分布，桥墩背水侧由于尾涡的形成和尾涡的不稳定性，水位的变化呈现整体降低，而局部散乱的分布。同时，由不同计算方案下的水位等值线图可以看出，随着流量的增加，桥墩前的壅水值呈增加趋势。三种工况下，桥墩两侧流速均增加，而桥墩上游和下游流速均呈减小趋势；同时由于桥墩位于水槽横向中心位置，桥墩迎水面及桥墩两侧流速呈对称分布，桥墩背水侧由于尾涡的存在，流速存在负值，即桥墩背水侧存在回流。同时可以看出，随着流量的增加，流速变化值呈增加趋势。从水位变化、流速变化可以看出，三维计算结果是合理的。

2.2 小尺度下桥墩二维数学模型计算

二维数学模型计算采用一般曲线坐标变换方法，控制方程及离散方程见文献[4]。网格取为与桥墩大小一致的尺寸，故无论采用等体积法或等阻水面积法的概化方法，桥墩修建后的地形修正高度是一致的，均为自由水面下的桥墩高度。糙率取为0.032 3。计算条件取为与三维模型一致，见表1。

本文主要讨论的是桥墩前后的壅水跌水问题，故主要从自由表面的水位来分析。三维和二维的计算结果如图3所示。

图3 工程前后水位变化图

从桥墩附近的壅水情况可以看出，各种工况下，二维模型模拟出的桥墩上下游的水位变化情况与三维模型模拟出的结果基本上一致。在跌水范围上，二维模型的模拟结果比三维模型的结果稍微偏小。但总的来说，二维模型的计算结果与三维数模的计算结果拟合较好，且放映了桥墩上游壅水，下游跌水并沿程恢复的一般水力学特性，说明该模型在模拟桥墩附近的水位变化情况的精度是较高的。

3 天然河道桥墩二维数值模拟计算分析

3.1 计算网格的布置

将一条长为6 000 m，宽为600 m的河道作为研究对象，底坡为0.000 1，桥墩长10 m×宽10 m×高20 m。网格的大小分别为10 m×10 m、20 m×20 m、30 m×30 m、40 m×40 m、50 m×50 m。

3.2 计算方案的确定

进口流量控制为8 000 m3/s和6 000 m3/s，出口水位控制在10 m，由于河道出口位置的地形高程为0，故出口水深即为出口水位。为了使计算结果能够明显的反映规律，糙率取值比一般河道稍大一些，取值为0.032 3。由网格布置方案和桥墩尺寸，分别运用等阻水面积和等阻水体积法修正地形，可得到不同网格大小情况下的地形修正值。具体计算工况和计算方案如表2和表3所示。

表2 计算工况布置表

表3 计算方案布置表

3.3 不同桥墩概化方法下桥墩壅水结果分析

3.3.1 等阻水面积法的桥墩壅水结果分析

采用等阻水面积的桥墩概化方法，工况1条件下不同网格大小的计算结果见图4，工况2条件下不同网格大小的计算结果见图5，表4统计了采用等阻水面积法，工况1和工况2条件下不同网格尺寸下的最大壅水值。

通过图4、图5及表4可以看出，运用等阻水面积的桥墩概化方法，同种工况下，采用不同的网格尺寸计算出的桥墩最大壅水值不一致，且计算出的桥墩最大壅水值随着网格尺寸的增加而逐渐减小。采用相同的桥墩概化方法，不同工况下，相同网格尺寸计算出的桥墩最大雍水值不同，且计算出的桥墩最大壅水值随着流量的增加而逐渐增加。

图4 方案1-2、1-3、1-4、1-5与1-1水位壅高值对比图(等阻水面积法，工况1)

图5 方案1-2、1-3、1-4、1-5与1-1纵向水位壅高值对比图(等阻水面积法，工况2)

表4 不同网格尺寸下的桥墩最大壅水值(等阻水面积法)

3.3.2 等阻水体积法的桥墩壅水结果分析及修正

采用等阻水体积的桥墩概化方法，工况1条件下不同网格大小的计算结果见图6，工况2条件下不同网格大小的计算结果见图7，表5统计了采用等阻水体积法，工况1和工况2条件下不同网格尺寸下的最大壅水值。

通过图6、图7及表5可以看出，运用等阻水体积的桥墩概化方法，同种工况下，采用不同的网格尺寸模拟计算出的桥墩最大壅水值不一致，且计算出的桥墩最大壅水值随着网格尺寸的增加而逐渐减小。采用相同的桥墩概化方法，不同工况下，相同网格尺寸计算出的桥墩最大雍水值不同，且计算出的桥墩最大壅水值随着流量的增加而逐渐增加。