分流對彎道分流口門分布的影響

孟文等

摘要：彎道水流運(yùn)動所涉及的物理量較多，邊界條件復(fù)雜多變，采用vof和k-ε粘度模型模擬各個工況下的彎道分流，并利用室內(nèi)彎道分流水槽模型試驗結(jié)果對數(shù)值模型進(jìn)行驗證，在模型驗證的基礎(chǔ)上增加模擬變量和工況，對影響分水口水力特性的主要影響因素分流比和分流角度進(jìn)行多組模擬。結(jié)果表明：在相同的分流比條件下，當(dāng)分流角為30°和120°時的最大流速值較大。

關(guān)鍵詞：彎道；分流；流速分布；平面流速；模擬

中圖分類號：TV12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）07-0059-05

天然河流依據(jù)形態(tài)可分為彎曲河流、分汊河流、順直河流和游蕩河流四類。彎曲型河道分布非常廣泛，一般多出現(xiàn)在河流的中下游，南運(yùn)河、荊江、漢江、渭河、遼河等都是著名的彎曲型河流。

彎道水流運(yùn)動的水力特性相當(dāng)復(fù)雜，引水分流必然會使彎道的水流流動形態(tài)發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜化。水利工程的引水口位置選擇不恰當(dāng)，就會使泥沙淤積在分流口下方，對河流主流流向和位置、河道沖淤演變等產(chǎn)生一系列負(fù)面影響。研究分流引水對分流彎道水流特性的影響，對水利工程的彎道改善具有非常重要的實(shí)踐意義，其研究成果亦在河道的整治方面具有工程應(yīng)用價值。模擬分析彎道分流口周圍水流的三維流場的水力特性，旨在為解決與彎道工程有關(guān)的問題提供理論依據(jù)。

河道分流現(xiàn)象在自然界和水利工程中較為普遍，分水道和引水渠是一種普遍的河道分流形式。目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者對彎道分流進(jìn)行了深入研究，并較好的解決了實(shí)際工程應(yīng)用問題，但鮮有人研究在彎道修建引水工程后引水口處的水流水力特性。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者在彎道分流方面的經(jīng)驗和結(jié)果，采用數(shù)值模擬分析的方法，模擬彎道分流取水情況，并通過室內(nèi)試模型驗證模型的可靠性。在此基礎(chǔ)上，模擬多組不同取水條件工況，分析彎道分流對分流口附近水力特性的影響規(guī)律。不僅能補(bǔ)充水流運(yùn)動理論，很好的解決彎道取水問題，而且對工程實(shí)際和生產(chǎn)研究有重要意義。

1 彎道分流對比試驗

與本數(shù)值模擬研究對比驗證的物理模型試驗已于2007年1月完成，主要由干水槽和支水槽所組成，干槽用于正常過流，主要由上、下游過渡直斷和彎道段組成，均為有機(jī)玻璃制造。根據(jù)天然河流彎道中心角出現(xiàn)的頻率，選擇彎道模型的中心角為60°。彎道的過水?dāng)嗝鏋榫匦?，底?.60 m、高0.40 m，彎道中心線曲率半徑與底寬比值為2.5。取水口的位置選擇在與彎道起始處成45°角的凹岸處，并使彎道的中心線與取水口的中心線夾角為45°。在天然河道中，該布置形式能最大限度的引水防沙，避免泥沙進(jìn)入取水口。模型上游進(jìn)口處設(shè)有2道穩(wěn)流柵和4 m長的過渡直段，避免進(jìn)口水流的紊動對彎道水流產(chǎn)生干擾；為使彎道出口水流有足夠的過渡段進(jìn)行環(huán)流衰減，出口水流平順下泄，在彎道出口段設(shè)置4 m長的過渡直段，過水?dāng)嗝娉叽缗c彎道斷面尺寸相同。分流支槽底寬0.30 m、高0.40 m，中心線長2 m。在干槽和支槽的末端處均設(shè)置尾門，以控制水槽水深，防止尾水跌落對上游水流流態(tài)產(chǎn)生影響。

模型平面布置情況如圖1—2所示。

設(shè)試驗分流比RQ分別為0.11，0.23，0.42，相應(yīng)水力要素如表1所示?？刂评梦查T實(shí)現(xiàn)，上游來流水與分流口下游的水深基本一致。分流比定義為流量Q之比：η=Q支/Q干。式中：Q干為上游干槽流量；Q支為支水槽流量。

2 模擬方案制定

依靠AutoCAD對水槽進(jìn)行三維建模，驗證物理模型。對CAD建模而言，其幾何要素根據(jù)目標(biāo)物理模型來完成確定。保留45°分流角，對彎道分流口特性進(jìn)行深入研究。另增設(shè)30°、60°、90°、120°四種分流角度的模型水槽，水槽模型模擬的何要素見表2。模擬時考慮氣相、液相兩相流，并留有相應(yīng)的空間給氣體入口，建模的高度取40 cm。水槽模型見圖3。

5個水槽均采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并在分流區(qū)做加密處理。采用VOF法追蹤自由水面，計算速度入口邊界條件按設(shè)計方案給定，即9種分流比工況。

3 分流對彎道分流口附近平面流速分布的影響

彎道縱向流速的流場分布問題是彎道水流結(jié)構(gòu)中相當(dāng)重要且極復(fù)雜的問題，對研究彎道水流水力特性有著極其重要的影響。彎道引水分流，必然使彎道主流線的位置發(fā)生改變，從而導(dǎo)致整個彎道的水流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

一般來講，在順直進(jìn)口段，縱向流速沿河寬呈對稱分布，入彎后凸岸流速稍增而凹岸流速稍減。至某一部位后，又出現(xiàn)相反的調(diào)整，流速分布趨于均勻，且主流線漸漸向凹岸貼近。出彎后的水流在相當(dāng)長的距離內(nèi)，最大流速仍靠近凹岸。

模型上游進(jìn)口處設(shè)有2道穩(wěn)流柵和4 m長的過渡直段，彎道出口段設(shè)置4 m長的過渡直段，過水?dāng)嗝娉叽缗c彎道斷面尺寸相同。彎道模型中心角為60°，彎道的分流口與中心線夾角45°，彎道的過水?dāng)嗝鏋榫匦?，底?.60 m、高0.40 m，彎道中心線曲率半徑與底寬比值為2.5。分流支槽底寬0.30 m、高0.40 m，中心線長2 m。彎道分流角度分別為30°，45°，60°，90°，120°時，在分流比相同的情況下，對比不同分流角條件下的附近水平面流速分布，結(jié)果如4—6所示。

從圖4—6可以看出，在相同的分流比條件下，隨著分流角度的增加，近底層（z/h0=0.04）、中間層（z/h0=0.4）、近表層（z/h0=0.8）均出現(xiàn)回流區(qū)，且流速最大值表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，即當(dāng)分流角為30°和120°時的最大流速較大，而分流角為45°，60°，90°時的最大流速值較小。

4 結(jié)論

利用數(shù)值模擬的方法，采用vof和k-ε粘度模型模擬彎道分流各個工況下的彎道分流，探討相同分流角度對不同分流比工況下的分流口門附近平面流速的影響，以及同一分流比對不同分流角度工況下的分流口門附近平面流速的影響，使模擬具有普遍性和有效性，體現(xiàn)了數(shù)學(xué)模型的靈活性及便捷性。經(jīng)過模擬得出以下結(jié)論：

1） 彎道水流的平面流速分布為表層流速大于底層流速，彎道水流的平面流速變化總體相同，上層水體流速大于下層水體，即中間層流速（z/h0=0.4）大于近表層（z/h0=0.8），近表層流速（z/h0=0.8）大于近底層流速（z/h0=0.04）。取水口口門上游彎道段的彎道入口附近，受慣性作用的影響，平面流速較大，隨后由于離心力的作用，凹岸側(cè)水位開始增加，動能逐漸轉(zhuǎn)化成勢能，流速開始減小，水位達(dá)到最高后受慣性力的影響，水位降低流速增大，且在彎道邊壁折沖的作用下向彎道凸岸運(yùn)動。

彎道水流具有復(fù)雜的三維特性，引水分流使其水流結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。進(jìn)入分流口的水流由于慣性作用與支水槽左側(cè)邊壁碰撞后發(fā)生轉(zhuǎn)折，在支水槽右側(cè)邊壁處形成回流區(qū)，支水槽上層回流區(qū)大于下層回流區(qū)。分流比值越小，則取水支流越易形成回流區(qū)，隨著分流比的增大，回流區(qū)逐漸減小。分流比越小，則支流斷面平均流速越小，與上游原河道平均流速的差值越大，更易形成湍流和回流。

2） 在相同的分流比條件下，隨著分流角度的增加，近底層、中間層、近表層均出現(xiàn)回流區(qū)，且流速最大值表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，即當(dāng)分流角為30°和120°時的最大流速較大，分流角為45°，60°，90°時的最大流速值較小。

參考文獻(xiàn)

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1） 彎道水流的平面流速分布為表層流速大于底層流速，彎道水流的平面流速變化總體相同，上層水體流速大于下層水體，即中間層流速（z/h0=0.4）大于近表層（z/h0=0.8），近表層流速（z/h0=0.8）大于近底層流速（z/h0=0.04）。取水口口門上游彎道段的彎道入口附近，受慣性作用的影響，平面流速較大，隨后由于離心力的作用，凹岸側(cè)水位開始增加，動能逐漸轉(zhuǎn)化成勢能，流速開始減小，水位達(dá)到最高后受慣性力的影響，水位降低流速增大，且在彎道邊壁折沖的作用下向彎道凸岸運(yùn)動。

彎道水流具有復(fù)雜的三維特性，引水分流使其水流結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。進(jìn)入分流口的水流由于慣性作用與支水槽左側(cè)邊壁碰撞后發(fā)生轉(zhuǎn)折，在支水槽右側(cè)邊壁處形成回流區(qū)，支水槽上層回流區(qū)大于下層回流區(qū)。分流比值越小，則取水支流越易形成回流區(qū)，隨著分流比的增大，回流區(qū)逐漸減小。分流比越小，則支流斷面平均流速越小，與上游原河道平均流速的差值越大，更易形成湍流和回流。

2） 在相同的分流比條件下，隨著分流角度的增加，近底層、中間層、近表層均出現(xiàn)回流區(qū)，且流速最大值表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，即當(dāng)分流角為30°和120°時的最大流速較大，分流角為45°，60°，90°時的最大流速值較小。

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1） 彎道水流的平面流速分布為表層流速大于底層流速，彎道水流的平面流速變化總體相同，上層水體流速大于下層水體，即中間層流速（z/h0=0.4）大于近表層（z/h0=0.8），近表層流速（z/h0=0.8）大于近底層流速（z/h0=0.04）。取水口口門上游彎道段的彎道入口附近，受慣性作用的影響，平面流速較大，隨后由于離心力的作用，凹岸側(cè)水位開始增加，動能逐漸轉(zhuǎn)化成勢能，流速開始減小，水位達(dá)到最高后受慣性力的影響，水位降低流速增大，且在彎道邊壁折沖的作用下向彎道凸岸運(yùn)動。

彎道水流具有復(fù)雜的三維特性，引水分流使其水流結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。進(jìn)入分流口的水流由于慣性作用與支水槽左側(cè)邊壁碰撞后發(fā)生轉(zhuǎn)折，在支水槽右側(cè)邊壁處形成回流區(qū)，支水槽上層回流區(qū)大于下層回流區(qū)。分流比值越小，則取水支流越易形成回流區(qū)，隨著分流比的增大，回流區(qū)逐漸減小。分流比越小，則支流斷面平均流速越小，與上游原河道平均流速的差值越大，更易形成湍流和回流。

2） 在相同的分流比條件下，隨著分流角度的增加，近底層、中間層、近表層均出現(xiàn)回流區(qū)，且流速最大值表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，即當(dāng)分流角為30°和120°時的最大流速較大，分流角為45°，60°，90°時的最大流速值較小。

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