灌區(qū)明渠過(guò)渡段平面大擴(kuò)散角水力特性分析研究

劉華利

(塔里木河流域干流管理局， 新疆 庫(kù)爾勒 841000)

水利工程領(lǐng)域，明渠過(guò)渡段是各類水工建筑結(jié)構(gòu)中重要組成部分，例如對(duì)泵站輸水池或水電站的尾水泄洪等，明渠滲流穩(wěn)定性會(huì)在一定程度上影響工程安全運(yùn)營(yíng)，研究過(guò)渡段水力特性對(duì)提升水工建筑物結(jié)構(gòu)滲流安全認(rèn)識(shí)具有重要作用[1- 4]。作為重要控導(dǎo)措施，布設(shè)翼角等結(jié)構(gòu)，是緩和過(guò)渡段水力沖蝕的重要措施，針對(duì)控導(dǎo)措施下流場(chǎng)安全穩(wěn)定性，已有一些水利工程師通過(guò)室內(nèi)物理模型試驗(yàn)開展應(yīng)用研究，模型主要針對(duì)泵站進(jìn)水池與水電站[5- 8]。另外數(shù)值模擬方法是流場(chǎng)特征參數(shù)計(jì)算重要手段，通過(guò)借助數(shù)值幾何模型，構(gòu)建過(guò)渡段運(yùn)營(yíng)工況，分析流場(chǎng)內(nèi)紊流狀態(tài)[9- 12]，提出不同控向?qū)Я鞔胧?，為水工建筑結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)提供重要的設(shè)計(jì)參考。

1 計(jì)算理論

在農(nóng)業(yè)灌區(qū)中，明渠水流運(yùn)動(dòng)連續(xù)性方程服從下式[13- 14]

(1)

結(jié)合數(shù)學(xué)微積分理論，得到散度表達(dá)式為

(2)

當(dāng)流體介質(zhì)壓縮自由度被約束，則散度方程可簡(jiǎn)化為

(3)

式(1)～(3)中，u、v、w—流速分量；Sm—試驗(yàn)有關(guān)的參數(shù)項(xiàng)。

流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中亦服從以下公式：

(4)

式中，F(xiàn)x、Fy、Fz—各方向上的體力分量；p—壓力；τij—粘性力分量。

聯(lián)立標(biāo)準(zhǔn)N- S方程，獲得散度表達(dá)式的N- S方程為

(5)

式中，grad—梯度函數(shù)；Su、Sv、Sw—試驗(yàn)有關(guān)的常數(shù)項(xiàng)。

利用流體N- S方程，獲得紊流脈動(dòng)關(guān)系，即湍動(dòng)能與耗散率之間有如下關(guān)系：

(6)

(7)

另一方面，湍流模型是計(jì)算流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中渦旋狀態(tài)參數(shù)的最佳工具，因而，本文在上述連續(xù)性運(yùn)動(dòng)守恒方程基礎(chǔ)上，以雙方程模型表述湍動(dòng)能狀態(tài)，其表達(dá)式為：

(8)

(9)

其求解依照紊流動(dòng)粘度系數(shù)及Prandtl參數(shù)，方程求解為

(10)

(11)

式中有

(12)

(13)

式(10)—(13)中，σk、σε、C1ε、C2ε、C3ε—試驗(yàn)常數(shù)參數(shù)；η—?jiǎng)恿繀?shù)常數(shù)項(xiàng)；Gk、Gb—流場(chǎng)湍動(dòng)能；μeff—有效粘度系數(shù)；Sk、Sε—與k、ε流場(chǎng)參數(shù)有關(guān)的常數(shù)項(xiàng)；αk、αε—Prandtl參數(shù)。

針對(duì)自由表平面，由于本文研究對(duì)象為明渠入口處水力特性，因而，邊界條件采用質(zhì)量流方程，其參數(shù)計(jì)算采用下式：

(14)

式中，I—紊流強(qiáng)度；Re—雷諾數(shù)，u、與前述式子一致。

(15)

上述理論為流體力學(xué)計(jì)算方法，由于本文采用有限元離散方法迭代求解，以動(dòng)量參數(shù)為例，給出有限元?jiǎng)恿侩x散方程為

(16)

將上述求解的流速與壓力等流場(chǎng)特征參數(shù)進(jìn)行修訂，得到：

(17)

式中，ue、vn—修正后流速與壓力值。

基于上述計(jì)算理論方法，本文以速度-壓力場(chǎng)耦合計(jì)算手段，在FLUENT軟件中進(jìn)行明渠過(guò)渡段平面大擴(kuò)散角水力特性計(jì)算分析。

2 工程概況

某灌區(qū)規(guī)劃建設(shè)東西長(zhǎng)度約為35km，可實(shí)現(xiàn)灌溉面積160萬(wàn)畝，灌區(qū)內(nèi)干渠設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為18km，共有14條支渠，每條渠道均以格賓石籠的透固體物布設(shè)防滲結(jié)構(gòu)，減弱渠道長(zhǎng)距離運(yùn)輸過(guò)程中水資源浪費(fèi)影響，灌區(qū)內(nèi)水資源主要來(lái)自于地下水與地表水，其中又以地表水資源占比最高，達(dá)65%。為了更好節(jié)省水資源，在明渠設(shè)計(jì)修建時(shí)，考慮修建一條尾水渠過(guò)渡至地勢(shì)較低的河漫灘，開挖長(zhǎng)度為1km，深度約5～6m，設(shè)計(jì)以0.65坡度作為流水壁面，兩側(cè)防滲堤身均按照重力式混凝土大壩建設(shè)防滲墻的措施，堤面均布設(shè)止水面板等結(jié)構(gòu)，提升灌區(qū)內(nèi)水資源在下游農(nóng)業(yè)灌溉效率。由于尾渠修建涉及到渠道或襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，泄流槽滲流場(chǎng)分布，甚至由于地勢(shì)較高，加設(shè)的消力池水利設(shè)施亦會(huì)在一定程度上影響明渠水力特性，因而本文取明渠過(guò)渡段上下游各一部分，再結(jié)合30°擴(kuò)散角區(qū)段上邊翼特征點(diǎn)，即平面區(qū)域內(nèi)大擴(kuò)散段，當(dāng)擴(kuò)散角30°時(shí)無(wú)法體現(xiàn)整體明渠水力特性，因而將單側(cè)擴(kuò)散角增加至60°，即為本文研究對(duì)象。

研究對(duì)象所在區(qū)域內(nèi)屬灌區(qū)地勢(shì)由高至低的中間地帶，由于支渠為借助地表河流開挖形成，因而該場(chǎng)地實(shí)質(zhì)上主要為河流沖積階地，表面覆蓋有種植土，主要為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，因而該部分土層中厚度較薄，最厚處僅為2.5m，含水量適中，主要為人工新進(jìn)堆積土層；下臥土層中還分布有粉質(zhì)壤土，夾有礫石碎屑，粒徑在2～8mm，密實(shí)性較差，儲(chǔ)存水資源較困難，在施工修建明渠前，應(yīng)考慮進(jìn)行夯實(shí)處理；除此之外，在基巖上覆蓋層中還分布有細(xì)砂土，厚度約為3.7～6.8m，密實(shí)性較好，級(jí)配良好，下游的消力池地基基礎(chǔ)可考慮采用該土層；基巖層包括有白云質(zhì)灰?guī)r與砂礫石，其中白云質(zhì)灰?guī)r分布較為廣泛，根據(jù)取出樣品可看出，砂礫石破碎性顯著，強(qiáng)度較低，已達(dá)到強(qiáng)風(fēng)化作用，分析砂礫石沉積是由于長(zhǎng)期以往的風(fēng)力等物理搬運(yùn)作用在此區(qū)域內(nèi)堆積形成，灰?guī)r鉆孔取出樣品顯示完整性較好，表面無(wú)顯著孔隙，強(qiáng)度較高。在此工程資料基礎(chǔ)上，以ANSYS建立明渠過(guò)渡段研究體的幾何模型，如圖1所示，相關(guān)邊界參數(shù)以及巖土參數(shù)均以室內(nèi)試驗(yàn)為依據(jù)。

圖1 明渠過(guò)渡段幾何模型

3 平面大擴(kuò)散角水力特性

3.1 建模及研究工況

針對(duì)于明渠過(guò)渡段平面區(qū)域的大擴(kuò)散翼角水力特性，分別設(shè)置有、無(wú)控向?qū)Я髟O(shè)施，本文所構(gòu)建模型如圖2所示，由于明渠過(guò)渡段處壁面接觸處于耦合狀態(tài)，因而劃分網(wǎng)格單元時(shí)，以混合式網(wǎng)格單元體模型進(jìn)行表示，最大網(wǎng)格單元設(shè)定為40mm，共獲得網(wǎng)格數(shù)294120，節(jié)點(diǎn)數(shù)243638。邊界條件主要分為進(jìn)、入口，壁面，自由表平面，其中進(jìn)、入口邊界條件按照前文所述相關(guān)計(jì)算理論，獲得湍流等外參數(shù)，壁面接觸條件設(shè)定為無(wú)滑移式固定壁。

圖2 過(guò)渡段擴(kuò)散角數(shù)值模型

研究工況分為有、無(wú)控向?qū)Я髟O(shè)施，其中無(wú)控向?qū)Я餮芯恐蟹譃榈?中-高三個(gè)流量強(qiáng)度，有控向?qū)Я鞔胧┲幸?0L/s流量為對(duì)比組，其他外參數(shù)均一致。

3.2 無(wú)控向?qū)Я髟O(shè)施

由于明渠過(guò)渡段上流層分布較多，特征流層取迭代步長(zhǎng)為T=6000step，水深為0.12m，分別獲得三個(gè)流量工況下流場(chǎng)特征云圖，如圖3所示。從整體來(lái)看，三個(gè)流量工況下的無(wú)控向?qū)Я髅髑O(shè)施均出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，且回流區(qū)域主要集中在Y負(fù)向，長(zhǎng)度約有8m，Y正向流速分布最低，流量40L/s下，主流流速約為0.35～0.6m/s。隨著無(wú)控向?qū)Я髟O(shè)施中過(guò)渠流量增大，仍然存在顯著回流，且回流區(qū)域仍維持在Y負(fù)向，且長(zhǎng)度有所增加，流量50L/s時(shí)回流區(qū)長(zhǎng)度約為9m，而30L/s下回流區(qū)僅6m；另一方面，回流強(qiáng)度亦有所增加，流量50L/s時(shí)回流區(qū)最大流速值是30L/s的3.25倍。即無(wú)控向?qū)Я髟O(shè)施特征斷面中在各過(guò)渠流量下均存在回流區(qū)，當(dāng)流量值增大時(shí)，回流區(qū)強(qiáng)度與回流區(qū)占流場(chǎng)比重愈多，相應(yīng)的在回流區(qū)主流擠壓作用愈強(qiáng)。

圖3 流場(chǎng)特征云圖

針對(duì)擴(kuò)散角區(qū)域流場(chǎng)特征，給出大擴(kuò)散角與過(guò)渡段連接區(qū)域壓力場(chǎng)云圖，如圖4所示。從圖4中可看出，三個(gè)流量工況下壓力強(qiáng)度均呈由渠道外側(cè)逐漸增大至末端，其中發(fā)生重要轉(zhuǎn)變點(diǎn)即是在連接點(diǎn)區(qū)域處。在小流量工況下，銜接點(diǎn)區(qū)域壓力強(qiáng)度呈外側(cè)窄斷面緩步增大至寬斷面，過(guò)渡段遞增的層次效應(yīng)顯著；隨過(guò)渠流量增大，窄斷面的較小壓力強(qiáng)度逐漸蔓延至寬斷面內(nèi)，且在轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)有逆壓力場(chǎng)，即在流量40、50L/s出現(xiàn)有600Pa的壓力分布。分析表明，由于過(guò)渡段銜接區(qū)域收到翼角約束影響，整體上隨過(guò)水?dāng)嗝娴耐蛔冃?，壓力?chǎng)分布逐漸變大，但當(dāng)處于高過(guò)渠流量時(shí)，主流的高強(qiáng)度會(huì)擠壓主要流線，而在一些轉(zhuǎn)角區(qū)域上由于過(guò)度效應(yīng)，反而會(huì)出現(xiàn)較小壓力場(chǎng)，即逆壓力分布。

圖4 壓力場(chǎng)云圖

將明渠過(guò)渡段區(qū)域進(jìn)行流速切片分析，獲得如圖5所示切片后流速結(jié)果云圖。從圖5中可看出，三個(gè)流量工況下明渠過(guò)渡段12個(gè)切片斷面上的流速分布整體上呈隨X向先陡降后緩增的變化趨勢(shì)，另在高流量強(qiáng)度下，流速整體水平較高。50L/s流量下第3個(gè)切片斷面上最大流速值為0.68m/s，相比流量30、40L/s分別增大了172%、94.3%。從流速分布形態(tài)來(lái)看，當(dāng)處于小流量強(qiáng)度時(shí)，流速主線在X向前端偏移程度較高，但在X向末端偏移并不顯著；大流量強(qiáng)度下的流速主線在流場(chǎng)內(nèi)便宜程度與小流量強(qiáng)度下相反，X向前端多，末端較弱；在X向中間流段內(nèi)，流速矢量線偏移程度與流量強(qiáng)度呈正相關(guān)，越大的流量強(qiáng)度，偏移程度越高。

為更好分析不同流量下主流速偏移程度，給出各斷面上的流體動(dòng)量不均勻度參數(shù)變化曲線，如圖6所示。從圖6可看出，動(dòng)量不均勻度參數(shù)整體上與切片流速變化規(guī)律一致，均呈先陡降后緩升至穩(wěn)定狀態(tài)，低流量強(qiáng)度下的動(dòng)量不均勻度值高于高流量強(qiáng)度，即低過(guò)渠流量下流場(chǎng)穩(wěn)定性更較好。動(dòng)量不均勻度值陡降均集中在前兩個(gè)切片斷面，30、40、50L/s流量強(qiáng)度下降低幅度分別為6.1%、6.9%、7.6%，上升趨勢(shì)均集中在第6個(gè)切片斷面處，在該切片斷面后，逐漸上升至不均勻度穩(wěn)定狀態(tài)，即流體運(yùn)動(dòng)的劇變性逐漸減弱，流場(chǎng)趨于穩(wěn)定。

3.3 有控向?qū)Я髟O(shè)施

為對(duì)比有、無(wú)控向?qū)Я髟O(shè)施下明渠過(guò)渡段流場(chǎng)特性，給出如圖7所示流場(chǎng)對(duì)比云圖。從圖7中可看出，加設(shè)有控向?qū)Я鞯囊斫呛?，回流區(qū)域明顯較少，回流長(zhǎng)度由無(wú)控向?qū)Я飨碌?m減少至5m，且有控向?qū)Я飨铝魉俜植稼呌趯?duì)稱狀態(tài)，Y向兩側(cè)在翼角分流作用下，沿著壁面向下游運(yùn)動(dòng)，主流速受回流影響顯著減弱，橫向上分布的流速結(jié)構(gòu)整體形態(tài)高于無(wú)控向?qū)Я髟O(shè)施下。

有控向?qū)Я髟O(shè)施下Y=0剖面上流速分布云圖如圖8所示，該剖面上X向流速最高值出現(xiàn)在翼角設(shè)施區(qū)域，分析是由于泄流時(shí)對(duì)翼角的沖擊作用，導(dǎo)致該區(qū)域流速較大，但在過(guò)翼角后，流速顯著降低，且逐步處于均勻狀態(tài)，穩(wěn)定在0.9m/s左右；Z方向流速整體過(guò)度較為平緩，無(wú)顯著渦流回旋特征。從流速矢量圖可看出，翼角上游區(qū)域渦旋特征顯著，流速過(guò)大，分布在翼角前端，當(dāng)過(guò)翼角后，渦旋動(dòng)能下降，流速回旋逐漸減弱，由此可見，在設(shè)置翼角控向?qū)Я骱?，明渠過(guò)渡段流速分布逐漸從渦旋流運(yùn)動(dòng)逐漸變緩為穩(wěn)定流，流場(chǎng)穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。

有、無(wú)控向?qū)Я髟O(shè)施下動(dòng)量不均勻度值比較曲線如圖9所示，從圖9曲線變化形態(tài)來(lái)看，增加翼角控向?qū)Я骱?，不均勻度值水平整體升高，雖各切片斷面上變化趨勢(shì)仍與無(wú)控向?qū)Я飨乱恢?，但穩(wěn)定性大大提升，在第6個(gè)切片斷面處，無(wú)控向?qū)Я髟O(shè)施的動(dòng)量不均勻度值為0.866，設(shè)翼角后增加了3.4%，達(dá)0.898。綜上表明，明渠過(guò)渡段大擴(kuò)散角區(qū)域，以翼角控向?qū)Я饔兄谔嵘鲌?chǎng)穩(wěn)定性，加墻明渠過(guò)流安全性，提升明渠運(yùn)營(yíng)壽命。

圖5 明渠過(guò)渡段切片后流速云圖

圖6 動(dòng)量不均勻度參數(shù)變化曲線

4 結(jié)論

針對(duì)明渠過(guò)渡段擴(kuò)散角水力特性問(wèn)題，引入流場(chǎng)分析計(jì)算理論，研究了有、無(wú)控控向?qū)Я髟O(shè)施下明渠過(guò)渡段水力特性，得到如下結(jié)論：

(1)無(wú)控向?qū)Я髟O(shè)施下各過(guò)渠流量下均存在回流區(qū)，回流區(qū)強(qiáng)度與流場(chǎng)中占比均隨流量強(qiáng)度增大而提高，回流區(qū)域集中在Y負(fù)向，流量40L/s時(shí)回流區(qū)長(zhǎng)度8m，流量50L/s時(shí)回流區(qū)最大流速值是30L/s的3.25倍；壓力強(qiáng)度由渠道外側(cè)逐漸增大至末端，高過(guò)渠流量時(shí)在轉(zhuǎn)角銜接區(qū)域會(huì)出現(xiàn)逆壓力分布。

圖7 有、無(wú)控向?qū)Я髁鲌?chǎng)特征對(duì)比

圖8 有控向?qū)Я髟O(shè)施明渠過(guò)渡段流速云圖

圖9 有、無(wú)控向?qū)Я髟O(shè)施不均勻度對(duì)比

(2)無(wú)控向?qū)Я髟O(shè)施下斷面流速隨X向先陡降后緩增，高流量強(qiáng)度下，流速整體水平較高，且流速矢量偏移在X向前端偏移更多，末端較弱，低流量強(qiáng)度下與之相反；動(dòng)量不均勻度值呈先陡降后緩升至穩(wěn)定狀態(tài)，該參數(shù)在低流量強(qiáng)度下高于高流量強(qiáng)度，低過(guò)渠流量下流場(chǎng)穩(wěn)定性更好。

(3)有、無(wú)控向?qū)Я髟O(shè)施水力特性計(jì)算對(duì)比，有控向?qū)Я髟O(shè)施時(shí)主流速受回流影響減弱，在翼角控向?qū)Я骱?，流?chǎng)渦旋動(dòng)能下降，回旋減弱，不均勻度值水平整體升高，第6個(gè)切片斷面的不均勻度值相比無(wú)控向?qū)Я髟O(shè)施時(shí)增加了3.4%，流場(chǎng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。