渠系節點三維流場的試驗研究

葉瑞祿，張耀哲

(西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

1 研究背景

渠系節點是一種常見的水流連接方式，存在于許多水力系統中，常用于發電、灌溉、工業及生活用水等取水工程[1]。節點處的水流除了受重力作用下的主流影響外，還受副流的制約，節點附近的水流與主流區的水流不斷進行著質量、動量及能量的交換，還存在著上下層水流和泥沙之間的強烈混摻[2],表現出明顯且復雜的三維水力特性。節點處水域的環流結構及其強度直接影響著河道或水槽的泥沙沖刷和淤積程度，這一現象對渠道泥沙淤積及物質輸移、渠道邊壁沖刷等產生重要影響[3]。渠系節點三維流場特性的研究不僅具有理論意義,而且對于水利工程泥沙問題的研究具有實際應用價值。近年來，針對不同連接方式節點處水流運動，國內外很多學者已經進行了大量的試驗研究工作。楊帆[1]通過對順直明渠岸邊側向45°取水口水域的取水分流寬度、分槽回流特性及口門斷面紊動特性的分析，得出45°取水口附近的水流更加平順，口門處流速分布更加均勻，分槽內凈進流寬度更大。茅育澤[2]采用試驗手段研究了明渠交匯口三維流動特性，指出斷面環流是交匯口水流三維流動的一個重要特征。曹繼文[4,5]針對明渠岸邊橫向直角取水口的水力特性進行了試驗研究，得出取水口附近的水流結構具有明顯的三維特性，并采用雷諾平均的N-S方向，利用FLUENT三維數值雷諾應力模型(RSM)，對明渠岸邊橫向取水口流場特性進行了詳細的模擬分析。以上研究側重于取水分流寬度、斷面收縮比、口門處流速分布及能量損失。但對于渠系節點處三維流場的針對性研究還很缺乏。

本文針對口門連接處及上下游表層及底層測點進行三維流場的定量觀測，詳細論述相關平面立軸環流、橫向環流以及各種次生副流。由于節點處水流運動結構復雜，產生明顯的流動分離現象，本文采用水流循環的方式，以泵站正常引水運行為前提，利用vectrino plus小威龍三維流速儀進行流場觀測，各測點同時采集X、Y、Z三個方向500個瞬時流速值，反饋給計算機處理得到每個測點的時均流速。研究分析在不同來流情況下,明渠口門及明渠段水流流場的分布規律。

2 試驗裝置與方法

試驗裝置如圖1所示，整個試驗設備包括供水量水系統、試驗觀測段、回水系統、地下水庫四大部分。引水明渠以72°的夾角與主河道相交，主河道寬度為130 cm。明渠段布置在主河道左岸，明渠渠首與主河道以小喇叭口形式銜接。明渠斷面為矩形，高20 cm，寬25 cm。來流量和分流量分別采用矩形堰和三角堰量測。主河道水位用下游尾門控制，明渠段則用堰流控制。

圖1 渠系節點水流試驗裝置平面總體布置圖Fig.1 General layout of flow test device of canal system node

流場試驗觀測主要針對口門區及明渠段進行，同時也對主河道上下游防護范圍內的流速分布進行了觀測。根據試驗目的共進行了8個工況的試驗，具體工況參數如表1。

表1 水流流場觀測試驗工況參數Tab.1 Test condition parameters of water flow field

注:表層為垂直水深方向距水面5 cm處水平面，底層為垂直水深方向距渠底5 cm處水平面。

測點布置如圖2所示，主河道和明渠段都是每隔25 cm布設一個觀測斷面。觀測區域分明渠段和主河道兩大部分，主河道部分CS7+000～CS8+000為摻混區，觀測密度較大，CS7+000以上及CS8+000以下為主河道區觀測密度較小。試驗流場觀測全部采用vectrino plus小威龍三維流速儀，該流速儀是流速儀ADV的更新替代品，是一款高精度三維點式流速儀，采用聲學多普勒測量原理，測量數據精度高，且儀器自身不產生零點漂移，應用范圍廣泛，包括實驗室測量，河道測量以及海洋測繪。根據三維流速儀的測量特征，定義水流流向坐標如圖2所示，設定Y方向及縱向流速Vy的正值方向為河道及渠道上游，X方向及橫向流速Vx的正值方向為河道及渠道左岸，Z方向及垂向流速Vz的正值方向為垂直于水面向上。對于主河道摻混區觀測區域，Vy為負表示流速方向為沿河道縱向的主流動，Vx為負表示流速方向垂直河岸向河心方向的流動，Vz為負表示流速方向垂直水面向河底的流動；對于明渠段觀測區域，各測點Vy為負表示的流速方向為沿渠道縱向水流前進方向的主流動，Vx為負表示面向明渠前進方向時從渠道左岸向渠道右岸的流動，Vz為負表示流速方向垂直水面向渠底的流動。

3 試驗結果分析

3.1 渠系節點處流速分析

分別在不同工況下測量口門斷面1(距主河道左岸15 cm處摻混區CS7+000～CS8+000截面)及口門斷面2(明渠段0+000截面)的瞬時流速，反饋給計算機處理后得到各測點時均流速分布，因篇幅所限，圖3僅給出工況1及工況3時口門中間斷面的時均流速分布。

根據對各斷面時均流速測量，節點處流速分布有以下特點：①在渠系節點上游處橫向流速Vx和垂向流速Vz較小，當水體逐漸靠近節點時，主河道中的底層橫向流速大于表層橫向流 速；②節點對岸處縱向流速Vy沿程變化較小，節點處變化較大；③當水流因為分流作用進入明渠段后，在明渠段左岸側產生流向不確定的復雜流動；④明渠段左側水域表現為底層流速與表層流速方向相反且交替出現，說明在明渠段左側同時存在橫向環流與立軸環流。

圖2 測點平面布置及測流區域劃分示意圖(單位：cm)Fig 2 Schematic diagram of partition of observation on flow field

圖3 口門中間斷面時均流速分布Fig 3 Time-average velocity distribution at the middle section of the entrance

本實驗的重點研究對象為渠系節點附近區域，所以只采用摻混區CS7+000～CS8+000部分實驗數據。由于試驗只進行了表層和底層的流速測量，且縱向流速Vy呈現較為明顯的變化規律，故繪制試驗部分表、底層縱向時均流速的等值線圖。等值線圖的橫向從左至右為7+000截面到8+000截面，縱向為主河道河寬方向，由于邊界部分無法測量，故流速從主河道左右兩岸邊距5 cm起。將縱向時均流速等值線圖繪制如圖4所示。

分析縱向時均流速Vy的等值線圖可以看出：同一工況下，表層與底層的流速分布存在差異。節點處水域靠近主河道右岸速度呈穩速趨勢，該區水體擴散程度較小。在取水口的上游，靠近明渠段左岸水體呈減速趨勢，這與曹繼文[4,5]對此區域

圖4 各工況縱向時均流速等值線圖分布情況Fig 4 Isoline of longitudinal time-average velocity distribution of each working condition

試驗呈加速趨勢相反，這是因為此試驗明渠段流量小，明渠段特征流速大于主河道特征流速，這與傳統設計中分流特征流速小于主流特征流速不同。在取水口下游近左岸區域，水體減速滯流，當明渠段流量增加時，口門附近水體流速分布越不均勻，滯留區越明顯，滯留區產生負壓但范圍較小。滯留后的水流在主河道邊界形成明顯的減速壅水，產生橫向水面比降，促使斷面逆向環流的形成，在行進水流的共同作用下表現為螺旋流。對比此次試驗結果并參考前人[5]的相關結論，繪制渠系節點口門近區平面流場概化示意圖如圖5所示。

圖5 渠系節點口門近區平面流場概化示意圖Fig 5 Schematic diagram of plane flow field of canal system node near the entrance

3.2 口門區的流動分離現象

試驗表明，主河道水流經過口門區時，出現明顯的流動分離現象。對于確定的節點形狀及尺寸，主河道(主流)與明渠段(分流)間存在著分流面，分流面的基本形狀保持不變且與流量比存在相關關系[1]。在遠離渠系節點的主河道區域，水流流場的分布符合常規明渠流動的規律,上層流速大于下層流速，越靠近邊壁流速越小。根據對表層和底層水體的流速測量，受明渠段取水的影響，流線在渠系節點一定距離處發生偏轉，部分水流流入明渠段，即存在分水寬度。分水寬度指主槽內取水口上游流入分槽的水流寬度[1]，根據前人[1]對明渠分水寬度的研究，當上游來流逐漸接近節點處水域時，由于明渠段的分流作用，流向明渠段的水流與連續流向下游的水流間形成分流曲面。分析認為，流動分離現象的產生是由于斷面突然擴大，過流面積突然增加，根據伯努利方程可知此時沿流動方向的壓力迅速增大出現逆壓梯度，逆壓梯度的出現使外側流動受到阻滯，流體質點強烈滯后，當流體質點所有的動能都消耗完以后就會被迫折回，這樣外側流動由于能量較大可以繼續向前流動，而靠近岸邊一側的流體卻因此發生停滯和倒流。如此往復，新來的流體質點沿邊界不斷遭遇同樣的情況，愈來愈多被阻滯的流體質點在邊界和河道主流之間堆積，回流便迅速向外擴展，使得河道主流愈來愈遠的被推離邊界區，發生流動分離現象。

試驗數據表明，節點處水域水流結構呈現出復雜明顯的三維特性。一方面口門取水方向流速沿水深分布與常規明渠流速垂向呈對數、指數分布存在差異，進水紊動強度呈不均勻性。另一方面，試驗結果顯示在同一工況下口門附近水域表層水體沿橫向及縱向速度分量小于底層水體，這與常規的流速沿水深的分布規律有所不同；進入口門之后，明渠段表層水體與底層水體流速方向相反，底層水體橫向分速指向左岸，表層水體橫向分速指向右岸，表明在明渠段中存在順時針的螺旋流。螺旋流是指呈螺旋形向前運動的副流，是一種復雜的三元水流[2]，渠道的左岸方向流速Vx(橫向分速)引起水流質點的旋轉，橫向分速越大，旋轉力度越強；沿水流前進方向流速Vy(縱向分速)將促使水流呈螺旋形向前流動。螺旋流產生的水體在口門發生分離后，沿下游進入明渠段。由于分流面處水位高于彎曲內側，從而產成徑向比降，形成斷面環流。在水體橫向環流與行進水流的共同作用下，以螺旋流的方式進入明渠段。底層水體流速延程減小，逐漸恢復為常規的明渠流動。口門下游水體出現滯留現象，滯留區下游靠左岸水體產生逆時針的螺旋流。正是由于口門區水體流動的特殊現象，致使推移質泥沙進入明渠段造成淤積。

口門近區水域按流動特性劃分為分流區、回流區、螺旋流區。通過對渠系節點三維流場的試驗研究并結合前人[5]有關結論，得到渠系節三維流動特性的示意性描述如圖6所示。

圖6 渠系節點三維流動特性示意圖Fig 6 Schematic diagram of three - dimensional flow characteristics of canal system node

3.3 渠系節點處橫向摻混和次生副流現象

分流動分離現象形成后，由于主副流交界面存在較大的流速梯度，大小尺度的渦體產生強烈的橫向摻混，在摻混區主副流將發生動量和水體交換。水體交換在時均意義上是等量的，而動量交換則由主流通過紊動切應力的形式，不斷作用于副流，交界面上渦體橫向摻混產生的紊動切應力作為動力源，縱向流速Vy方向的流速基本上以渠道中軸線為界呈反向變化,使得口門區及明渠前段出現明顯的平面回流。在明渠段流量一定時，當主河道流量增加時，口門區個測點的速度明顯增加，表層流速大于底層流速，導致明渠段表層回流區大于底層回流區。分流曲面呈二次曲線分布，底層分流寬度大于表層。在含有渠系節點的工程中，由于引水角對底層分流寬度影響不大，但表底分流寬度不同，大量推移質泥沙隨底流進入分流，造成不同程度的淤積，從而不利于取水防沙。

水流運動由主流和次生副流構成。根據上述8種工況口門區及明渠段三維流速分布的量化統計分析，可以得出回流區的水流運動不僅存在著平面上的立軸環流(盲腸回流)，還存在著橫斷面上的橫向環流以及沿渠道縱深前進方向Vy流動的疊加，以及上、下層水體之間的劇烈混摻。回流區的水流與主流區的水流不斷進行著動量和能量的相互交換，與常規明渠流動存在差異。

口門區處于主河道與明渠段的銜接區域, 是取水分流最敏感的部位，流動分離現象形成后，該區域水流摻混強烈，3個維度方向均能觀測到明顯的流速，但量值均小于主河道流速，3個維度的流向呈現規律性的交替變化，Vy方向平面上的環流相對明顯，Vx橫向及Vz橫向的流向變化也呈現一定的規律性，三維流速綜合作用后流線軌跡復雜。根據各工況流場觀測結果，相同水位不同特征流速以及不同水位不同特征流速時，主河道流速對口門區及明渠段水流運動的影響有顯著地規律性，具體表現在相同水位不同特征流速時，主河道流速越大，水流的橫向摻混強度越大，相應的口門區次生附流的強度也越大，沿渠道縱向的流速分量值也越大。Vx及Vz方向所存在的時均流速及其規律性的流向變化，顯示該區域不但有較明顯的平面回流而且橫斷面上也存在明顯的橫向環流，除此之外，三維流速觀測值在流向和量值上的其他變化，還表明其他更小量級次生副流的存在。在口門區及明渠前端所有的次生副流中，平面回流強度最大，這種平面回流在上層水體更多地表現為盲腸回流的特征。

4 結 語

本試驗利用vectrino plus小威龍三維流速儀對渠系節點的近區水域進行了三維流速測量，從系統試驗和理論分析兩個方面對渠系節點的三維特性進行了研究，基于現階段的試驗研究成果，得出了以下結論：

(1)渠系節點近區水域的水流流速分布具有明顯且復雜的三維特性，口門斷面尤為明顯。口門前及明渠段存在順時針螺旋流，而在口門下游主河道則存在逆時針的螺旋流，這是斷面環流與行進水流共同作用的結果。

(2)相同水位不同特征流速時，主河道流速越大，水流的橫向摻混強度越大，相應的口門區次生附流的強度也越大，沿渠道縱向的流速分量值也越大。回流區水域水流結構復雜，且通常伴隨著橫向環流、立軸環流和次生副流的疊加，基本上可概化為平面上的立軸環流(盲腸回流)與橫斷面上的橫向環流以及沿渠道縱深前進方向水流運動的疊加。

本次試驗流動模式與常規直角引水明 渠口門前區域的主要區別在于，傳統的設計中渠道特征流速大于等于主河道特征流速，明渠口門上游河道近岸區域為加速區，而本模型試驗明渠流量小，渠道特征流速明顯小于主河道特征流速，因此明渠口門上游河道近岸區域為減速區。針對這一發現，進行不同工況條件下的水力計算，更完整準確的總結渠系節點三維流場的水力特性，為工程的取水防沙提供依據。

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[1] 楊 帆,陳惠泉,郭 軍. 明渠岸邊側向45°取水口的水力特性試驗研究[J]. 中國水利水電科學研究院學報,2006,(4):264-270.

[2] 王慶祥. 螺旋流的形成和排沙效果試驗[J]. 人民黃河,1987,(5):12-17.

[3] 茅澤育,趙升偉,張 磊,等. 明渠交匯口三維水力特性試驗研究[J]. 水利學報,2004,(2):1-7.

[4] 曹繼文,陳惠泉,賀益英. 明渠岸邊橫向取水口水力特性的試驗研究[J]. 水利學報,2003,(10):32-37.

[5] 曹繼文,陳惠泉,賀益英. 明渠岸邊橫向取水口的三維數值計算[J]. 水利學報,2004,(2):119-125.

[6] 張 鶴,趙 青,張 黎,等. 彎道凹岸橫向取水口水力特性的試驗研究[J]. 東北水利水電,2011,29(5):60-63.

[7] 梁志勇，徐永年，羅福安，等.引水防沙與河床演變[M]. 北京：中國建材工業出版社，1999.

[8] 佟二勛. 關于目前分流分沙的研究成果綜述[J]. 水利水電技術,1962,(9):39-48.

[9] 張芳芳,張耀哲,粟曉玲. 灌渠閉閘期閘前段流場特征及泥沙淤積速率分析[J]. 農業工程學報,2016,32(2):111-118.

[10] 董耀華. 空腔回流區水沙特性的計算分析[J]. 泥沙研究,1999,(2):36-41.

[11] 景 琪,張耀哲. 渠系分流口區域水流運動特性數值模擬[J]. 水電能源科學,2017,35(5):95-99.