生物附著現象對有壓輸水工程過流能力的影響

張建建,張社榮,劉 涵,2,王 超,王梟華,姜佩奇,3,崔 溦

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津 300350; 2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司,云南 昆明 650051; 3.水利水電規劃設計總院,北京 100120)

隨著長距離引水工程運行年限的增長,工程運行過程中的新問題如淡水殼菜等生物污損現象不斷凸顯。調研發現,在某輸水結構壁面上以淡水殼菜為主的污損生物最大附著厚度達15mm,側壁單位面積最大密度近7萬個,致使混凝土發生大面積霉變和表觀缺陷。附著在輸水建筑物表面的生物會增加壁面粗糙度,從而導致壁面阻力增加,引發流態改變、過流能力減小以及運行水位超限等一系列問題[1-3]。輸水建筑物在淡水殼菜繁殖條件下的糙率可從0.0164增長至0.0180,造成沿程水頭損失增大[4-5]。這些問題已成為制約工程長期運行安全、加劇潛在工程運行安全風險的關鍵要素。

針對上述問題,已有學者對生物附著現象對水流水力特性的影響進行大量研究。 Dong等[6]通過多孔介質模擬貽貝串模型,用雷諾平均的納維斯托克斯(RANS)方程來模擬貽貝場周圍的流場,綜合分析貽貝的密度和斜流之間的關系,并對貽貝串在不同水深下的水動力特性進行了數值研究分析。Constantinescu等[7]利用試驗和數值技術分析了固定在平板通道上的潛貽貝群周圍的床層摩擦速度分布。O’donncha等[8]分析了有貽貝類生物附著的養殖棚和潮汐能裝置對流體動力學的影響。Lin等[9]觀察了懸浮貽貝養殖場對潮流的水動力影響,表明懸浮貽貝串引起的表面摩擦遠大于海床摩擦。Kervella等[10]在試驗和數值模擬的基礎上,描述了河道牡蠣群周圍整體水流結構周圍邊界層的不對稱發展。Andrewartha等[11]對生物附著的明渠進行阻力測量和近距離攝影測量表面特征研究,發現生物表面的有效粗糙度大于物理粗糙度。張海玲等[12]對粗糙壁面的明渠進行試驗研究,結果表明明渠壁面結構特征造成了水流阻力組成成分改變。槐文信等[13-15]以淹沒柔性植被為粗糙因素對淹沒柔性植被覆蓋的明渠進行研究,得出植被上部水流的縱向流速分布符合對數律的結論。

本文針對我國輸水工程中生物污損現象造成的壁面混凝土剝落、有效過水斷面縮小以及水質惡化等問題,依托南水北調中線某輸水建筑物開展室內模型試驗,并采用多孔介質域數值仿真淡水殼菜附著對有壓輸水工程過流能力的影響。

1 物理模型仿真原理

1.1 室內模型及加糙方法

室內模型采用內徑為600mm的預制管拼裝,管道總長14m。前池、后池均采用鋼板制作,尺寸為3m×3m×1.5m,每根管道進口安裝矩形閘門;前池與后池之間設置1根回流管,直徑為200mm[16],如圖1所示。

圖1 室內模型結構

根據前期調研結果,在有壓輸水工程中淡水殼菜在內壁四周均有分布,并且沿程分布較為均勻。為真實模擬淡水殼菜附著于建筑物的特性,試驗選用淡水殼菜殼體分散粘于管道內壁上,模型各部位均勻粘貼。根據淡水殼菜附著正投影面積與輸水建筑物壁面的比值(面積占比)表征室內模型中淡水殼菜附著密度[17],設置模型內壁附著面積占比分別為4.8%、5.8%、6.0%。

1.2 多孔介質域

根據已有研究[6,13],采用多孔介質域模擬建筑物壁面生物附著層對水流的擾動效應,多孔介質模擬方法是將流動區域中固體結構的作用看作是附加在流體上的分布阻力,在動量方程中新增源項來表明多孔介質的阻力作用,源項方程為

(1)

式中：Si為第i(x,y,z)方向的動量方程源項;vj為流速;Dij為黏性損失項;Cij為慣性損失項;μ為動力黏滯系數;ρ為流體密度。

對于各向同性多孔介質,式(1)可簡化為

(2)

C2=3.5(1-ε)/Dpε3

式中：D1為黏性損失系數;C2為慣性損失系數;ε為孔隙率;Dp為顆粒平均直徑。

制作淡水殼菜實體并采用排水體積法確定不同附著密度的孔隙率[18],各參數計算結果見表1。

表1 多孔介質域參數

1.3 計算域及工況設置

本文采用HYPERMESH軟件來生成結構化網格,在保證網格質量的同時減少整體網格單元數目。根據現場調研結果建立不同附著面積占比的多孔介質域,設置長度為12m。淡水殼附著區段生成網格單元為463276個,網格節點為530432個;其他區域網格單元為1899726個,網格節點為1912242個。進口設置為速度入口,出口設置為壓力出口,三維流體模型見圖2。

圖2 三維流體模型

采用數值仿真對淡水殼菜附著下的有壓輸水工程的水流特性進行模擬,根據相關調研結果,有壓輸水建筑物中附著面積占比和附著厚度變化較為明顯,本文針對面積占比和附著厚度這兩種因素設置不同梯度進行數值仿真研究,如表2所示,仿真工況流量均為0.025m3/s,共有7種孔隙率。

表2 數值仿真工況

2 數值模型驗證

糙率可反映管壁表面影響水流阻力的各種因素,通過對比數值仿真與物理試驗所得糙率,驗證數值仿真模型的可靠性,根據式(3)、式(4)計算不同工況下的糙率[19];分別監測進出口斷面,得到物理試驗結果如表3所示。

表3 物理試驗糙率計算結果

(3)

(4)

式中：Z1、Z2分別為斷面1、斷面2處的位置水頭;p1、p2分別為斷面1、斷面2處的壓強;α1、α2分別為斷面1、斷面2處的動能損失系數;u1、u2分別為斷面1、斷面2處的流速;hf、hy、hj分別為管道總水頭損失、沿程水頭損失、局部水頭損失;ξ為管道局部阻力系數;n為管道糙率;d為管道直徑;L為測試斷面距離;Q為測試流量;g為重力加速度。

由于仿真模型為理想模型且采用多孔介質近似模擬淡水殼菜附著層,以及不考慮測量誤差和制造工藝精度等影響因素,因此仿真值與試驗值存在一定誤差,最大相對誤差在10%以內(表4),符合精度要求。

表4 物理試驗與數值仿真糙率對比

3 數值仿真結果分析

a.流速分布。為研究不同面積占比對水流流態的影響,提取建筑物中間縱向剖面,分析流速變化及內部水流流動特性。由圖3可知,不同面積占比條件下,管道內整體上流速變化趨勢相似,流速沿程減小,附著層內的局部流速明顯小于管道內部。高面積占比管道內主流區域明顯大于低面積占比管道,并且管道內流速受到的擾動隨密度增大而增強,但流速分布較為均勻[20]。出現這種現象的原因如下：淡水殼菜的不斷繁殖生長,縮小了模型過水斷面,并且增大了附著密度,相當于孔隙率減小和面積占比增大,造成阻水能力增強,沿程流速減小,導致管道流速分布變化,最終對輸水建筑物過流能力造成不利影響。

圖3 不同面積占比條件下的流速仿真云圖

b.湍動能變化規律。湍動能越大說明水體越不穩定,質點交換越頻繁;受到壁面糙體阻水的影響,管道壁面附近的湍動能較大,在附著區域出現了湍動能極值[21]。由圖4可知,不同面積占比下湍動能的沿程發展均表現出越來越對稱的趨勢,且面積占比為6.0%時的湍動能變化明顯大于面積占比為4.8%時的湍動能,說明面積占比增大進一步增強了管道內的湍流強度。同時發現,沿程湍動能變化逐步穩定,其變化曲線呈現出上下對稱結構。出現上述現象的原因為壁面附近處水流受到淡水殼菜附著的影響,造成壁面切應力較大,使得脈動流速增強和湍動強度增大[22-23];而在管道中間部位,水流湍動強度較小,水流的動量交換比較穩定。

圖4 湍動能垂向分布沿程變化

c.湍動能耗散率變化規律。湍動能耗散率垂向分布沿縱向的變化見圖5。由圖5可知,不同面積占比下湍動能耗散率基本分布規律與湍動能相似,管道中部區域湍動能耗散率較小,壁面附近水流速度慢,但湍動能耗散率大,這說明壁面對水流的摩擦阻力較大以及流速梯度大造成湍動能耗散較快[24]。而最大流速發生在中部區域,該區域水流流動較快且流線較為集中,因此水流不斷產生能量,能量耗散較少,造成水流流速梯度小,湍動耗散率也較小[25]。

圖5 湍動能耗散率垂向分布沿程變化

d.斷面流速分布變化規律。斷面流速垂向分布沿程變化見圖6,由圖6可知,不同面積占比下進口處斷面流速縱向分布較為均勻,水體流動受到管道壁面糙體影響,逐步向管道中軸線集中,造成主流偏移;高面積占比造成的主流偏移影響明顯小于低面積占比,但其對應的最大流速明顯大于低面積占比[26]。面積占比為4.8%時斷面流速分布沿程變化較為規律,但管道下部糙體對水流擾動小于上部,使得最大流速出現在管道軸線中下部;在面積占比為6.0%時進口斷面流速分布與末端類似,并且進口斷面流速大于末端。一方面,淡水殼菜附著造成壁面湍動能隨面積占比增大,其分布情況逐步對稱;另一方面,當附著面積占比增大到一定程度,淡水殼菜對管道水流的影響與縮小過水斷面面積時的水流狀態類似。因此,壁面淡水殼菜附著現象造成了水流向中部集中,最大流速出現在管道中軸線處[27],使得斷面流速分布曲線由“對數”形變為“拋物線”形,呈現出“層流”特征[28]。

圖6 斷面流速垂向分布沿程變化

e.斷面糙率分析。斷面1、斷面2分別距離管道進口2、12m,對兩斷面間糙率進行計算,結果見表5。進一步分析糙率與面積占比及厚度的關系,根據數值仿真成果擬合糙率經驗方程并繪制三維曲面。結果表明,淡水殼菜附著造成管道糙率增加,且糙率隨淡水殼菜面積占比增大而增大,在面積占比由0增大至6.0%時糙率增長了0.003951,其遞增速率明顯大于面積占比由6.0%增至12.0%。同時說明在較高面積占比下,淡水殼菜附著個數不再是造成糙率增大的主要因素。淡水殼菜面積占比與厚度對管道糙率產生影響,在面積占比較低時,附著厚度對糙率的影響明顯小于附著厚度;而在面積占比較高時,附著厚度對糙率的影響明顯大于附著厚度,通過綜合兩種因素對糙率的影響,初步提出有壓輸水建筑糙率經驗公式：

表5 不同工況下的糙率

n=0.011530+0.00138lg(8000a)b0.3137

(5)

式中：a為面積占比;b為附著厚度。

采用物理試驗對式(5)計算精度進行驗證,如表6所示。同等工況下式(5)計算糙率略小于物理試驗結果,相對誤差為8.04%～9.16%,其精度可滿足使用要求。

表6 物理試驗與公式計算糙率對比

因多孔介質域僅可反映淡水殼菜為均勻附著的情況,為保證公式計算精度,在推廣應用該經驗公式時需滿足以下條件：①僅適用于圓形有壓輸水建筑物;②淡水殼菜附著均勻,實際工程的面積占比是淡水殼菜與計算區域整體壁面的比值;③實際工程的附著厚度為計算區域間的均值;④實際工程的原始壁面糙率不得大于0.012;⑤將實際有壓輸水建筑物壁面淡水殼菜面積占比等比例縮小,附著厚度以過水斷面為基準通過下式等效轉化：

(6)

式中：Se原為原位建筑附著層面積;S原為原位建筑橫斷面面積;Se轉為轉化后建筑附著層面積;S轉為轉化后建筑橫斷面面積;λL為縮尺比。

根據文獻[29]中的魚洲-高新沙段輸水隧洞實際測量數據對式(5)的推廣應用進行初步驗證,采用式(5)計算隧洞運行1a后的糙率為0.0153,與輸水隧洞實際測量糙率0.0145僅存在5.52%的誤差,初步說明該經驗公式可應用于類似工程。

4 結 論

a.管道壁面附近水流受到糙體影響,湍動能和湍動能耗散率值較大,湍流強度明顯隨面積占比增大而增大,說明淡水殼菜附著使得有壓管道內水流質點動量交換更加劇烈。

b.淡水殼菜附著會改變流場的分布,使主流轉向有壓管道中軸線,不同面積占比造成的影響不同。面積占比4.8%時,主流偏向于管道軸線下部;面積占比增至6.0%時,主流偏向于有壓管道軸線,管內主流流速隨密度增大趨勢明顯,斷面流速分布呈現“層流”特征。

c.初步提出了有壓輸水建筑糙率經驗公式,綜合考慮了淡水殼菜面積占比與厚度的影響效應,并得到了與物理試驗結果符合良好的計算結果,說明由有壓輸水建筑糙率經驗公式所得的結果是較為可靠的。