EREDOS项目：涵盖水道流场数值模拟
本计划由欧洲区域发展基金共同资助
本文由 Gwenaël CHEVALLET、Marie-Christine GERMAIN 及 Sarah LASNE 共同撰写，来自 BRL ingenierie。
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。
图1 2012 年 11 月法国 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。
