不同坡角引水渠道水力特性分析

宋先鋒

（德州市農(nóng)村供水管理處,山東 德州 253014）

0 引言

引水渠道水力特性對(duì)輸送水效率具有較大的影響，因此，獲取最優(yōu)進(jìn)/出水口參數(shù)，有大量學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。高學(xué)平等[1]通過(guò)多島遺傳算法對(duì)側(cè)式進(jìn)/出水口體型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，體型優(yōu)化后水頭損失系數(shù)減少3 %以上，不均勻系數(shù)小于20%，水力條件明顯改善；王晨茜[2]以芝瑞抽水蓄能電站為例，通過(guò)數(shù)值模擬方法研究豎井式進(jìn)/出水口的水力條件，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，水力特性改善明顯；劉際軍等[3]采用數(shù)值模擬方法，研究不同布置形式下豎井式進(jìn)/出水口的水流特性，認(rèn)為使用錐管擴(kuò)散可降低水頭損失；梅家鵬等[4]以句容抽水蓄能電站通過(guò)模型試驗(yàn)研究側(cè)式進(jìn)出水口水力特性，通過(guò)降低出水口高度優(yōu)化體型，提高了水流擴(kuò)散性能，水頭損失也明顯降低；劉際軍等[5]通過(guò)模型試驗(yàn)認(rèn)為增大擴(kuò)散角、降低引渠高程可消除不利環(huán)流，明顯提高明渠水力特性；顧莉等[6]以瓊中抽水蓄能電站為研究對(duì)象，通過(guò)模型試驗(yàn)，研究各流道分流特性，認(rèn)為將邊隔墩移至起始擴(kuò)散面，可有效改善水力特性；侯才水等[7]、張曉曦等[8]使用CFD法分別研究不同進(jìn)/出水口位置及形狀對(duì)流態(tài)的影響和優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)/出水口形式，認(rèn)為采用組合彎管、長(zhǎng)倒錐體可明顯改善水力特性。在前人研究的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法研究渠道坡角對(duì)引水渠道水力特性的影響。

1 工程概況及模型建立

某引水渠道總寬7.5 m，共有3 個(gè)分流墩，4 個(gè)流道，立面單向分流，垂直擴(kuò)散角為2.6°，平面雙向擴(kuò)散，擴(kuò)散角34°，擴(kuò)散段長(zhǎng)為36.0 m，漸變段長(zhǎng)12.0 m，調(diào)整段長(zhǎng)14.5 m，防渦梁段長(zhǎng)10.0 m，為側(cè)進(jìn)式體型，平面見圖1。根據(jù)設(shè)計(jì)引水渠道建立數(shù)值模擬模型。

圖1 進(jìn)/出水口體型平面圖

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 死水位下計(jì)算結(jié)果

死水位工況下，引水渠道出流流量為161.6m3/s，引水渠道雷諾數(shù)Re=2.8×107。通過(guò)Fluent軟件RSM紊流模型計(jì)算獲取流量分配情況，計(jì)算結(jié)果見表1，中間孔位垂向流速分布計(jì)算結(jié)果見圖2。從表1可知，流量分配呈對(duì)稱分布，中間兩孔流量較大；從圖2可知中孔最大流速大于1.6 m3/s，最大流速位于距離渠底1.0 m～3.0 m范圍內(nèi)，邊孔流速變化較小，流速大多集中于0.4 m3/s～0.6 m3/s。

表1 流量分配結(jié)果

圖2 中間孔位垂向流速分布

2.2 引水渠道不同坡角數(shù)值模擬結(jié)果

為研究引水渠道不同坡角工況下水力特性的變化情況，在其他參數(shù)保證不變的情況下，設(shè)計(jì)引水渠道坡角分別為0°、1°、2.6°、3°、5°、7°、8°共7種情況，研究水頭損失與流量分配以及不均勻系數(shù)與引水渠道坡角變化的關(guān)系，根據(jù)2.1 流量分配計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)稱體型條件下，1 號(hào)與4 號(hào)、2 號(hào)與3 號(hào)計(jì)算結(jié)果相同，因此可僅研究1 號(hào)、2 號(hào)出水口。

2.2.1 流速分布

不同渠道坡角流速云圖見圖3。

圖3 流速場(chǎng)分布

根據(jù)邊孔流速云圖可知：當(dāng)渠道坡角從0°變化至8°的過(guò)程中，40 m～60 m范圍內(nèi)流速變化較小，流速分布基本一致，在擴(kuò)散段進(jìn)口處，孔口中間部位為主流位置，在45 m～50 m處主流位于兩側(cè)分流墩。在25 m處，當(dāng)引水渠道坡角在0°～4.0°時(shí)，主流位于兩側(cè)分流墩；當(dāng)引水渠道坡角在6.0°～8.0°時(shí)，主流位于兩側(cè)分流墩與頂板的夾角處。在10m處，當(dāng)引水渠道坡角在0°～4.0°時(shí)，流速分布較為均勻；當(dāng)引水渠道坡角在6.0°～8.0°時(shí)，流速分布表現(xiàn)為上部流速大，下部流速小。當(dāng)引水渠道坡角在0°～4.0°時(shí)，無(wú)反向流速出現(xiàn)，當(dāng)引水渠道坡角在6.0°～8.0°時(shí)，逐漸在底部出現(xiàn)反向流速區(qū)，在10 m處反向流速消失。

根據(jù)中孔流速云圖可知：當(dāng)引水渠道坡角從0°～8.0°變化的過(guò)程中，主流位于中孔中部，隨著渠道坡角的增大，主流逐漸向上移動(dòng)。當(dāng)坡角為0°時(shí)，主流在頂部發(fā)展又逐漸消失，當(dāng)坡角在2.0°～8.0°時(shí)，反向流速區(qū)向底部發(fā)展并逐漸消失，主要原因是隨著渠道坡角的增大，主流上移，抑制頂部流動(dòng)的分離，促進(jìn)底部流動(dòng)分離。

2.2.2 水頭損失與流量分配

水頭損失與流量分配數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可知，邊孔流量隨著引水渠道坡角的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，中孔流量則先增大后減小。邊孔流量首先由20.2%逐漸減小，當(dāng)坡角增大達(dá)到垂向擴(kuò)散角2.6°時(shí)，邊孔流量所占比例達(dá)到最小值19.7%，隨后逐漸增大至21.3%；中孔流量所占比例在初期逐漸由29.8%上升至30.3%，又逐漸減小至28.7%。流量分配結(jié)果與引水渠道坡角關(guān)系曲線見圖4。

表2 水頭損失與流量分配結(jié)果

圖4 流量分配結(jié)果與引水渠道坡角關(guān)系曲線

水頭損失系數(shù)與引水渠道坡腳的關(guān)系：隨著引水渠道坡角的增大，水頭損失系數(shù)由0.351 先減小后增大，當(dāng)坡角逐漸增大至2.6°時(shí)，水頭損失系數(shù)達(dá)到最小值0.347，此時(shí)，輸送水效率最高，隨著坡角的繼續(xù)增大，水頭損失系數(shù)又逐漸增大至0.364，輸送水效率逐漸降低。水頭損失系數(shù)與引水渠道坡角關(guān)系見圖5。

圖5 水頭損失系數(shù)與引水渠道坡角關(guān)系曲線

2.2.3 流速不均勻系數(shù)

流速不均勻系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。從表3可知：邊孔、中孔流速不均勻系數(shù)隨著渠道坡角的增大，均表現(xiàn)為先減小后增大的變化趨勢(shì)。當(dāng)渠道坡角等于0°時(shí)，邊孔流速不均勻系數(shù)等于1.52，中孔流速不均勻系數(shù)為1.78；當(dāng)渠道坡角增大至等于垂向擴(kuò)散角2.6°時(shí)，邊孔、中孔流速不均勻系數(shù)降低至最小值，此時(shí)邊孔、中孔流速不均勻系數(shù)分別為1.41和1.72；隨后邊孔不均勻系數(shù)逐漸增大至2.12，中孔不均勻系數(shù)增大至2.46。

表3 流速不均勻系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

（1）反向流速區(qū)的面積與位置受引水渠道坡角影響較大，邊孔反向流速區(qū)與渠道坡角關(guān)系為：當(dāng)引水渠道坡角在0°～4.0°時(shí)，無(wú)反向流速出現(xiàn)；當(dāng)引水渠道坡角在6.0°～8.0°時(shí)，逐漸在底部出現(xiàn)反向流速區(qū)。中孔反向流速區(qū)與渠道坡角關(guān)系為：當(dāng)坡角為0°時(shí)，主流在頂部發(fā)展又逐漸消失；當(dāng)坡角在2.0°～8.0°時(shí)，反向流速區(qū)向底部發(fā)展并逐漸消失。

（2）當(dāng)引水渠道坡角與垂向擴(kuò)散角相同時(shí)，水力特性較好，此時(shí)水頭損失系數(shù)和流速不均勻系數(shù)均較小，中孔流量分配所占比例最大，可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。