彎道水流調整池結構參數對流態改善能力的影響

趙 丹

(撫順縣水利水電工程移民局，遼寧 撫順 113118)

由于彎道水流存在波浪、螺旋翻滾和水面橫向坡等特殊特征逐步變成研究水建筑物合理布置、防淤治沙和河床演變等目標的重要先決條件[2]。尋得一種結構簡單、造價低廉和施工快捷的工程措施顯得十分重要[2]。王艷梅[3]發現了一種設計簡單、施工方便的“彎道水流調整池”，能夠有效地改善彎道水流流態；趙德亮[4]運用三維流場數值模擬模擬了攔河閘引水口彎道湍流分離流動，證明該模型能夠良好的模擬強曲率下湍流的分離現象；張應亮[5]等通過分析分流墩與消力池聯合應用消能效果，模擬了彎道流速的分布及液面形態的變化。本文通過對彎角彎道90°不同縱坡角下水流流態改善能力隨著深度、長度變化情況進行了研究，為工程實際應用提供了設計依據。

1 彎道調整池流態模擬

1.1 離散方程求解算法

控制方程離散后需要根據特定的方法對其進行計算，常用的求解方法包括PISO算法、SIMPLEC算法和SIMPLE算法[6- 7]。PISO算法基于壓力速度校正的近似關系，執行偏斜校正、相鄰校正與臨近校正計算，經過若干循環，得到滿足動量方程和質量守恒的校正速度。SIMPLE算法以交錯網格技術為基礎，以“預測—修正”為核心思想，經過持續的修正、迭代，得到速度和壓強的初解，再通過修正目標得到滿足質量守恒方程的精確解。本文采用SIMPLE算法進行求解。

1.2 自由液面評價高度

根據水面波動設計一個定量分析值稱作自由液面評價高度，采用增加縮放系數來控制水面評價高度[8- 9]。表達公式如下：

(1)

式中，Xi—監測面水面線的最高與最低位置的差值；i—斷面；m—彎道部分斷面數；n-m—直道部分斷面數。

2 彎道水流調整池參數變動對流態的影響及分析

本文研究了彎角彎道90°水流調整池流態改善能力隨著深度、參數變化情況，如圖1所示。流態改善能力選擇自由液面評價高度L與其波動情況作為評價標尺，觀察不同參數下調整池后彎道左右邊界與中央水面線情況[10]。彎道調整池的消能能力根據彎道出口斷面7、進池平面斷面1與出池平面斷面2的平均水頭進行判斷，根據該模型調整池的相關數據分析彎道水流調整池流態改善的規律性。

2.1 縱坡角為1°情況下參數變動結果

2.1.1 深度參數變動結果

圖2給出了當縱坡角為1°時，深度參數變動調整池后中央及左右岸邊水面線情況。

圖1 彎道模型示意圖

對比圖2(a)～(d)中可以看出，縱坡腳較小的彎道，設置有調整池的直道水流相比未設置調整池的直道水流波動更加平穩，并且隨著調整池深度的增加，直道水流的波動變化更加穩定；設置有調整池的彎道最高水深相比未設置調整池的彎道最高水深更高，高深度調整池的最大彎道高度也高于低深度的彎道最大調整池，具有較好的工程實用性。

表1為縱坡角1°、彎道彎角90°下彎道調整池深度參數變化相關數據。

由表1可以看出，自由液面評價高度只有調整池深度為5cm時相對較大，而隨著調整池深度的增加沒有良好改善，同時調整池深度較深的情況下出現了自由液面評價高度升高的情況。斷面7切向流速隨著調整池深度的增大急速增大，并且遠大于未設置調整池的切向速度，調整池的消能能力隨著深度的改變沒有得到改善。因此，本文認為縱坡角為1°彎道調整池深度不宜過高，設置5cm左右能夠良好改善水面坡降。

表1 縱坡角1°、彎道彎角90°下彎道調整池深度參數變化相關數據

圖2 縱坡角1°深度參數變動調整池后中央及左右岸邊水面線情況

2.1.2 長度參數變動結果

圖3給出了當縱坡角為1°時，長度參數變動調整池后中央及左右岸邊水面線情況。

對比圖3(a)～(d)中可以看出，縱坡角為1°彎道彎角為90°調整池長度為20cm時，其彎道水面線改善情況并不明顯，接近于未設置調整池時的情況，而其彎道波動隨著調整池長度的增加顯著增強。通過對比中央水平面有無調整池的情況發現，其波動隨著調整池長度的增加變得越來越明顯。

表2為縱坡角1°、彎道彎角90°下彎道調整池長度變化相關數據。

由表2可以看出，與相比未設置調整池的情況相比設置不同長度的彎道調整池都存在較大的改善，其中斷面1高度水頭、斷面2高度水頭和自由液面評價高度大幅度降低，斷面1速度水頭和斷面2速度水頭小幅度的增加，斷面1總水頭和斷面2總水頭無明顯增加。水頭損失情況并無明顯規律，而整體趨勢隨著長度增加而增大，隨著深度的改變調整池的消能情況沒有得到改善，結合實際工程施工的需要，本文認為該彎道調整池長度選擇20cm最佳。

表2 縱坡角1°、彎道彎角90°下彎道調整池長度變化相關數據

2.2 縱坡角為3°情況下參數變動結果

2.2.1 深度參數變動結果

圖4給出了當縱坡角為3°時，深度參數變動調整池后中央及左右岸邊水面線情況。

圖3 縱坡角1°長度參數變動調整池后中央及左右岸邊水面線情況

對比圖4(a)～(d)中可以看出，設置有調整池的直道水流相比未設置調整池的直道水流波動更加平穩，調整池深度調整5cm時直道部分的水面波動具有明顯改善，但是這種改善隨著深度的增加并不持續變大，這一點與縱坡角1°、彎道彎角90°的情況相同，而與縱坡角1°的情況相比，調整池的深度設置較小也能夠使彎道水面線產生明顯的水面線波動。

表3為縱坡角3°、彎道彎角90°下彎道調整池深度參數變化相關數據。

由表3可以看出，相比于未設置調整池的自由液面評價高度，調整池深度為5cm和10cm時情況改善顯著，調整池深度為15cm時無較大的改觀，斷面1高度水頭和斷面2高度水頭隨著調整池深度的增加而增長，斷面1速度水頭與斷面2速度水頭隨著調整池深度的增加而整體降低，斷面1總水頭和斷面2總水頭略微減小。結合水面線情況，本文認為縱坡角3°彎道彎角90°情況下，應當選擇調整池深度為10cm。

表3 縱坡角3°、彎道彎角90°下彎道調整池深度參數變化相關數據

圖4 縱坡角3°深度參數變動調整池后中央及左右岸邊水面線情況

2.2.2 長度參數變動結果

圖5給出了當縱坡角為3°時，長度參數變動調整池后中央及左右岸邊水面線情況。

對比圖5(a)～(d)中可以看出，直道中的改善情況在調整池池深設置40～60cm明顯優于調整池池深設置20cm。

表4為縱坡角3°、彎道彎角90°下彎道調整池長度變化相關數據。

由表4可以看出，自由液面評價高度隨著調整長度的增加而顯著下降，并且當調整長度達到60cm時，斷面7的切向速度存在相當水平的降低，結合觀察到的水面線情況，綜合認為縱坡角3°、彎道彎角90°的較佳長度為60cm。但是相比于未設置調整池的情況而言，調整池的消能表現并不理想。

表4 縱坡角3°、彎道彎角90°下彎道調整池長度變化相關數據

3 結語

按照相關彎道調整池流態模擬方法，選擇自由液面評價高度L與其波動情況作為評價標尺，研究彎角彎道90°不同縱坡角下水流調整池流態改善能力隨著深度、參數變化情況。

圖5 縱坡角3°長度參數變動調整池后中央及左右岸邊水面線情況

(1)設置有調整池的直道水流相比未設置調整池的直道水流波動更加平穩，設置有調整池的彎道最高水深相比未設置調整池的彎道最高水深更高。

(2)彎道波動隨著調整池長度的增加顯著增強，該彎道調整池長度選擇20cm最佳。

(3)調整池的深度設置較小也能夠使彎道水面線產生明顯的水面線波動，并且認為縱坡角3°彎道彎角90°情況下，應當選擇調整池深度為10cm。

(4)調整長度為60cm時，斷面7的切向速度存在相當水平的降低，因此認為縱坡角3°、彎道彎角90°的最佳長度為60cm。

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