「水利流体」FLOW-3D对涵盖水道及其结构进行流场数值模拟

EREDOS项目：覆盖溪流流量的数值建模

 

BRL ingenierie 拥有超过60年的大型水利基础设施经验，是法国及国际水利工程领域的重要参与者。

 

采矿业导致了许多地下设施的的建设，以管理开采区域并促进其经济与工业发展。这项活动产生了空洞，并伴随着矿渣堆积及谷底填充，主要使用废石等材料进行填充。这些填充作业之前，先在水道上方进行砌石工程，以维持谷中的水流畅通。后来，随着住宅或基础设施的建设，又产生了材料沉积。

 

矿业发展衰退后，这些工程设施未进行维护。2012 年 11 月，Robiac-Rochessadoule（法国加尔省）发生涵盖水道坍塌，这表明重新评估并关注这些被忽略地质环境的重要性。

 

Robiac-Rochessadoule 涵盖水道坍塌

 

BRL ingenierie 参与的 EREDOS 研究计划，其目标如下：

• 开发工具和方法，对涵盖水道及其上的结构物进行详细勘察，包含监测系统、结构行为与水力行为等。

• 定义风险指标和干预方案。

 

在此研究框架内，BRL 工程公司采用 3D CFD 进行模拟分析，以解决涵盖水流相关问题。CFD 模型以FLOW-3D软件建立，并结合 RICHER 公司提供的涵盖水流三维精细扫描数据。目前我们的土木和环境工程客户已将FLOW-3D HYDRO 应用于此类建模与分析。

 

隧道3D扫描

 

Valette 溪位于法国阿莱斯北方约 20 公里处的罗比亚克-罗切萨杜勒镇。此隧道全长约 250m，结构为砖石砌筑。下图为下游拍摄的 3D 扫描影像。透过收集高分辨率的几何数据，我们得以建立精准的 3D CAD 模型，作为FLOW-3D HYDRO 的输入数据。

 

图2 隧道内部照片

 

图3 隧道 360 度照片

 

图4 3D 地形模型详细信息

 

水力模型

 

主要任务为建立包括整个地下溪流的 3D CFD 模型，并进行参数研究。模型使用FLOW-3D HYDRO软件建立，测试的主要参数包括：

 

• 上游与下游边界条件

   上游：流量或水位施加

   下游：自由流出或水位施加

• 隧道绝对粗糙度

• 网格尺寸

• 湍流模型（K-epsilon, K-omega, RNG）

• 考虑水流曝气现象（单一流体 [水] + 特定空气模型或双流体 [水+空气] 模型）

• 数值选项（一阶、二阶等）

• 壁面定律

• 总计，进行了 40 多次的 3D CFD 模拟。

 

图5. 上游压力流 (~ 120 m³/s)

图6 下游自由水面流 (~ 120 m³/s)

 

图7 流线图 (~ 120 m³/s)

图8 空气率 (~ 120 m³/s)

 

水力分析结果

 

尽管测试中调整了多项参数（即使范围很大），仿真结果显示，此隧道最大计算流量依然稳定在 100-125m3/s。对于此特定条件与尺度，仿真结果显示模型对参数空间变化的敏感度并不高。

 

根据模型估计，此隧道的最大实测流量约为 100m3/s。所谓最大实测流量，是指当上游水位上升至约 8 至 9 米（以模型参考点为基准）时的流量，此水位与上游入口附近的自然地形条件相符。

 

透过上述方法所得出的隧道上游流量曲线带入分析。在 60-120m³/s 的流量范围内，第一条隧道应用流量系数为 0.6 的涵洞公式所计算出的流量曲线，与使用FLOW-3D HYDRO;软件所得到的流量曲线相当吻合。

 

图9 模拟结果（~ 120 m3/s）

 

图10 隧道上游流量曲线（~ 120 m³/s）

 

结构的水力应力

 

利用 3D CFD 模型可以仿真结果中提取许多与结构水力应力评估相关的参数，例如动水压力、剪应力以及能量耗散等。

 

这些输出结果有助于诊断现有结构的稳定性，并为可能的加固工程提供设计依据。它们可作为结构分析的输入数据。

 

在所关注的流况中，压力流和自由表面流交替出现，需要注意可能会观察到振荡现象，导致壁面上出现凹陷，这可能会造成不利影响。

 

下图显示水力结构上压力作用的仿真结果类型。

 

图11 结构上的压力

 

图12 结构上的能量耗散

 

结论

 

高精准度 3D 扫描数据作为基础，利用先进的建模工具如FLOW-3D HYDRO 可进行复杂流况的 3D CFD 模拟。研究结果包含流量曲线、详细的流动状况，以及周边基础设施上的压力条件。