光大生物質發電廠取水工程對通航影響的數學模型研究

許莎莎

(安徽省交通勘察設計院有限公司，安徽 合肥 230011)

光大生物質發電廠取水工程對通航影響的數學模型研究

許莎莎

(安徽省交通勘察設計院有限公司，安徽 合肥 230011)

基于有限單元方法，建立了平面二維水流數學模型，對取水口邊界條件進行了研究。利用該模型計算了光大生物質發電廠取水工程建設前、后取水建筑物及其附近航道的流速、流向和水位等水流特性，分析了典型控制水位下,取水口建筑物及其取水對航道通航條件的影響，結果表明：取水工程不會對通航產生影響。

有限體積；數學模型；取水口；通航條件

對于取水工程對水動力條件影響的數學模型研究,已經在實際中得到了一些應用,數值模擬在工程建設影響論證方面已經成為一種趨勢,但是目前取水工程的建設對通航的影響的數學模型研究仍然較少,對取水口邊界條件的研究也有待深入。本研究建立了一個二維水流數值模型對取水口附近水域水流流態進行計算,利用該模型對光大生物質電廠取水口工程對通航的影響進行了研究,定量分析了取水口附近航道工程前、后水流流速和流向變化情況。

1 數學模型基本理論和方法

數學模型有一維、二維和三維之分,一維模型無法模擬出局部的水流條件,在使用上很受限制;三維模型的計算較為復雜耗時,且在實際應用中,對于復雜的邊界處理及資料驗證仍有較大的困難。對于只需要了解取水口取水對通航的影響,不需要充分了解取水口附近水體的三維流動特性時,用平面二維模型來模擬河道的流動特性應是最好的選擇。

1.1 控制方程

大部分河流湖泊都是淺水水流,滿足以下假定:① 具有自由表面;② 以重力為主要的驅動力,以水流和固體邊界之間及水流內部摩阻力為主要的耗散力;③ 水平流速沿水深近似成均勻分布;④ 垂向流速和垂向加速度可忽略,水壓接近靜壓分布。基于以上假定,對三維水流的運動方程沿水深進行積分,可得二維淺水水流控制方程:

(1)連續性方程。

(1)

(2)動量方程。

(2)

(3)

1.2 定解條件

(1)初始條件:給定初始時刻t=0時,計算域內所有計算變量(u,v,ξ)的初始值。

1.3 離散方法

本次采用非結構有限體積法離散控制方程。有限體積法中使用的非結構網格通常由三角形或四邊形網格構成,為了準確的逼近水下地形,這里僅采用三角形網格。

2 模型驗證

2.1 取水工程概況

(1)取水河段情況。光大懷遠生物質發電廠工程位于于安徽省懷遠縣城西側,電廠取水口位于渦河南岸,位于蒙城閘下,具體位置為北緯32.96°,東經117.01°。距離上游控制節點為蒙城閘約71km,下游水位受下游蚌埠閘水利樞紐控制,距離蚌埠閘約18km,取水口距離何巷閘約8km。

(2)取水設計方案。水泵房設置在光大懷遠生物質發電廠內東北角。利用設在河床中的取水頭部和自流引水管取水至泵房。取水建(構)筑物包括取水頭、自流引水管和補給水泵房。

取水頭擬采用鋼混箱式,取水頭上設格柵。箱式取水頭部伸入河道深處,尺寸為4.5m×1.5m×1.45m。為滿足95%枯水位的取水要求,箱式取水頭部內頂標高約15.0m,底標高13.55m,自流引水管中心線標高約14.30m,采用鋼管樁架固定。設計取水流量0.3m3/s,取水方式為雙管單側取水。

2.2 研究內容

選用平面二維水流數學模型對目標河段進行模擬計算,并具體分析:① 工程實施前后水面線變化;② 工程實施前后航道附近流速變化。分析采用最不利工況進行模擬,即枯水期取水斷面處設計最低通航水位15.67m,對應流量為0。

2.3 模型范圍及網絡概化

根據河道特性及取水口位置,本次計算將二維模型的研究范圍確定為取水口上游3km至下游2km之間河段。為較好地反映河道地形及岸線的變化,模型采用非結構三角網格,網格空間步長約30m。為較好的反映工程實施后取水口附近的流場變化,取水口附近網格加密至1m左右。取水口概化為點源。為較好的反映河道當前的地形條件,選取2015年實測地形為模型計算地形。本次計算根據河道實際情況,并參考文[5],將河段主槽糙率選定為0.026,灘地為0.04。

2.4 模型計算及分析

(1)水面線變化。對工程實施前后各工況條件下水面線進行模擬計算,提取分析取水斷面上下游50m范圍內河道縱向水面線的變化。如圖1所示,為工程實施前后,取水斷面上下游50m范圍內水面線對比圖。從圖中可看出,工程實施以后枯水期工況水位幾乎無變化。

圖1 枯水期工況取水斷面上下游50m范圍內縱向水面線變化

(2)流場計算。對工程實施前后取水斷面附近河段流場進行模擬計算,分析水流流場特點。

工程實施后,取水口附近出現明顯的橫向水流,但流速較小。取水口附近3m范圍內,流速值在0.13m/s～0.05m/s之間;距取水口3m～10m范圍內,流速值在0.05m/s～0.01m/s之間;距取水口10m以外水域,流速值小于0.01m/s。在該工況條件下,最大縱向流速0.01m/s,最大橫向流速0.06m/s。

3 結 論

本研究得到結論如下:① 從取水對通航影響的角度來看,當水位越低,流量越小,取水所造成的影響就越大。② 取水口周圍50m范圍內,取水口抽水對水位不產生影響,因此對河道通航水深不產生影響。③ 取水過程中,會改變取水口附近的流場,形成橫流和回流結構,對整個河段的流場流態影響較小,橫向流速在絕大部分范圍內不超過0.03m/s,只有在取水口局部很小(小于10m內)的范圍影響稍大些,但也不超過0.06m/s。④ 該取水工程取水時不會對航道正常的通航產生影響,本研究建立的平面二維數學模型能夠較好地用于取水工程對航道通航條件影響的研究。

[1] 鐘偉華.論取水口通航論證的重要性[J].珠江水運,2007,(12):45-46.

[2] 汪建樂,劉明俊,張景程,等.取水口對船舶通航環境的影響 [J].交通信息與安全,2009,(27):57-59.

[3] 賁鵬,虞邦義,倪晉.淮河干流正陽關至吳家渡段水動力數學模型及應用[J].水利水電科技進展, 2013,(5):42-46.

[4] 虞邦義，楊興菊，倪晉 淮河干流行洪區泄流能力研究[J].水動力學研究與進展,2014, (1):125-130.

[5] 劉玉年,何華松,虞邦義. 淮河中游河道特性與整治研究[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

(責任編輯 陳化鋼)

Mathematical model of the influence of intake project on navigation in Everbright biomass power plant

XU Sha-sha

(Anhui Provincial Communications Survey and Design institute Hefei 230011;China)

Based on the finite element method, a two-dimensional flow mathematical model for water intake boundary conditions are studied. Using the model to calculate the flow characteristics including flow velocity and water level ,before and after Everbright biomass power plant intake project building and its nearby. Focuses on the analysis of typical control water level and water intake structures on channel navigation condition the influence scope and degree. The results show that the water diversion project will not affect the navigation.

finite volume；mathematical model；intake；navigation condition

2016-05-28；

2016-09-01

許莎莎(1987-)，女，安徽合肥人，助理工程師 ，從事水運工程項目管理。

10.3969/j.issn.1671-6221.2016.04.003

TM743

A

1671-6221(2016)04-0007-03