基于FLOW3D模型淺析河道斷面形狀對(duì)河道水力特性的影響

潘馨馨　王亞琳

摘? 要：由于自然地理形態(tài)各異，研究不同的河道斷面形狀，有利于認(rèn)識(shí)了解整體河道的水力特性。該文基于FLOW3D模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)5種河道斷面形狀的數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果的簡(jiǎn)要分析。通過(guò)對(duì)斷面橫、縱向流速的觀測(cè)得出結(jié)論，復(fù)式梯形斷面可作為最佳河道斷面進(jìn)行研究，曲線斷面對(duì)河道水力特性的不利影響較為突出。

關(guān)鍵詞：河道斷面形狀? 水力特性? FLOW3D模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TV133 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）09（b）-0033-03

1? 問(wèn)題的提出與分析

基于對(duì)河流動(dòng)力學(xué)課程的認(rèn)識(shí)[1]，由于自然地理形態(tài)各異，因地制宜而設(shè)計(jì)的河道斷面形狀種類(lèi)多樣，研究不同的河道斷面形狀，有利于認(rèn)識(shí)了解整體河道的水力特性。在常用的河道斷面形狀設(shè)計(jì)上，獨(dú)特的引入了曲線圖形的截面組合。為了簡(jiǎn)要認(rèn)識(shí)、了解不同斷面形狀對(duì)河道水力特性的影響，該文基于FLOW3D模型，對(duì)5種形狀的河流斷面進(jìn)行模擬過(guò)流數(shù)值計(jì)算，分析不同斷面形狀對(duì)河道水力特性的影響。

由于該文只是簡(jiǎn)要分析光滑邊壁情況下的不同斷面形狀的水力學(xué)情形，因此不考慮河道彎曲、泥沙淤積等情況。

2? 建立模型

2.1 FLOW3D計(jì)算模型

FLOW3D計(jì)算模型是由Flow Science開(kāi)發(fā)的計(jì)算流體力學(xué)軟件，基于對(duì)完整N-S方程的數(shù)值求解，可用于水利、水環(huán)境領(lǐng)域的流體仿真。在該文中，使用RNG湍流模型控制流體粘度和紊流情況，模擬使用單一不可壓縮流體，在河道指定位置處設(shè)置Baffle監(jiān)測(cè)河道內(nèi)流量;通過(guò)分析特定位置處，水體橫向、縱向流速分布特點(diǎn)，以達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

2.2 設(shè)計(jì)試驗(yàn)

設(shè)計(jì)斷面形狀分為基礎(chǔ)圖形和組合圖形，控制渠道斷面面積為同一常數(shù)，河道長(zhǎng)度為15m。在同一初始流量下，試驗(yàn)中過(guò)水?dāng)嗝婷娣e、過(guò)水高度不同。根據(jù)孫麗對(duì)復(fù)式河道形狀的研究[2]，60°是比較理想的復(fù)式渠道設(shè)計(jì)坡角，故將截面圖形中的梯形坡角均設(shè)置為60°。矩形、橢圓形、梯形為基礎(chǔ)圖形。組合形狀基于梯形設(shè)計(jì)，一種為復(fù)式梯形組合，另一種為梯形與橢圓的組合。該文擬定5個(gè)斷面（如圖1所示）進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

通過(guò)初步的仿真模擬，當(dāng)河道內(nèi)水流流態(tài)穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，通過(guò)設(shè)定初始的邊界條件，使得河道進(jìn)口處的流量大致相同，設(shè)。渠道幾何尺寸參數(shù)和水流運(yùn)動(dòng)初始設(shè)置參數(shù)如表1所示。

2.3 初始條件與觀測(cè)

本計(jì)算區(qū)域采用笛卡爾坐標(biāo)系，使用均勻結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分方法，采用0.1m3×0.1m2×0.1m3正六面體結(jié)構(gòu)化正交網(wǎng)格，不設(shè)置網(wǎng)格加密區(qū)域。初始化流體為常溫下單一不可壓縮流體，即為標(biāo)準(zhǔn)水體，并提供恒定流量。

分別在河道出入口、1/3處、2/3處設(shè)置Baffle，通過(guò)觀察模型中三維水流的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，當(dāng)模擬河道中流體的流態(tài)穩(wěn)定后，再監(jiān)測(cè)通過(guò)指定位置的水力數(shù)據(jù)。以方案1矩形斷面為例，試驗(yàn)初始化如圖2所示。

3? 數(shù)值模型論證

3.1 橫斷面流速分布

根據(jù)孫麗針對(duì)較小模型寬深比的改進(jìn)仿真模擬水面流場(chǎng)組合[2]，該文使用k-ε模型模擬橫斷面的紊流。根據(jù)孫亞明繪制復(fù)式河道斷面橫向平均流速分布圖的方法[3]，選取對(duì)稱面的一半進(jìn)行分析，將5種渠道斷面的形狀與橫斷面平均流速分布繪制如圖3～圖7所示。

通過(guò)對(duì)河道內(nèi)橫斷面流速的比對(duì)，得到以下三點(diǎn)結(jié)論：

（1）在通過(guò)斷面流量大小相似的前提下，矩形斷面的流速最小，梯形斷面其次，但梯形斷面上流速波動(dòng)較大，橢圓斷面的流速較大且流速波動(dòng)較大，符合水力學(xué)斷面流速分布特點(diǎn);

（2）兩個(gè)組合形狀截面中，復(fù)式梯形的流速略大于組合橢圓形，但是相差較小。復(fù)式梯形的流速波動(dòng)較小，流速僅在靠近邊壁時(shí)出現(xiàn)一次下降;而組合橢圓形的流速波動(dòng)較大，特別是在曲率較大區(qū)域、橢圓與梯形交界區(qū)，流速波動(dòng)混亂，不利于河道平穩(wěn);

（3）組合圖形較之基礎(chǔ)圖形，對(duì)流速有較好的調(diào)節(jié)效果。復(fù)式梯形極大地削弱了水流在單一梯形折坡處的大波動(dòng)，推斷復(fù)式截面有利于河道平穩(wěn)過(guò)流;

（4）橢圓與梯形的組合截面輕微減輕了水流的紊動(dòng)程度，但對(duì)于降低平均流速的作用不明顯，歸結(jié)于曲線斷面對(duì)河道水力特性的不利影響占主導(dǎo)地位。

3.2 縱斷面流速分布

參照胡海松等人對(duì)于河道縱斷面流速的分析方法[4]，當(dāng)流體流態(tài)平穩(wěn)后，在5組模擬試驗(yàn)中收集河道縱斷面沿水流方向的流速，如圖8所示。分析各方案流速曲線得到以下結(jié)論。

（1）水流從河道入口流入渠道后，在縱斷面上的流速會(huì)逐漸增大出現(xiàn)第一個(gè)峰值，然后呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢(shì)，隨后流速逐漸增大，最后在河道出口處流速會(huì)出現(xiàn)第二個(gè)峰值;

（2）總體上，復(fù)式橢圓、橢圓斷面對(duì)河道流速的影響較大，復(fù)式梯形、梯形其次，矩形對(duì)河道流速的影響最小。推測(cè)橢圓形狀對(duì)河道的不利影響較為突出;

（3）在縱斷面流速的兩個(gè)峰值中，下游明顯大于上游，且不同斷面形狀的兩個(gè)峰值差異不同，表明不同斷面形狀對(duì)上、下游河道是流速影響不同。

4? 結(jié)論

4.1 FLOW3D模型的優(yōu)劣

4.1.1 優(yōu)點(diǎn)

在計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域，基于FLOW3D模型，結(jié)合RNG湍流模型、VOF模型和k-ε模型，能在短時(shí)間內(nèi)，較方便快捷地模擬計(jì)算不同河道斷面對(duì)河道水力特性的影響。并且基于FLOW3D模型對(duì)于湍流模型的使用，使得仿真計(jì)算結(jié)果具有較好的準(zhǔn)確性。

4.1.2 缺點(diǎn)

在仿真計(jì)算中運(yùn)用FLOW3D模型，受制于正六面體結(jié)構(gòu)化正交網(wǎng)格的劃分方法，且不設(shè)置網(wǎng)格加密區(qū)域。對(duì)于有折坡面的渠道以及復(fù)式渠道斷面，水流在折坡處位置存在不同形狀、大小的二次流。由于網(wǎng)格形狀劃分的局限性，部分網(wǎng)格邊界不能包含斷面折坡位置，對(duì)于觀測(cè)、仿真這些二次流的水力特性有一定影響，可能會(huì)影響對(duì)局部的流速數(shù)據(jù)的仿真模擬。

例如，如圖9所示，在仿真初期的復(fù)式梯形斷面的水體運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)分布剖視圖中，在明顯的折坡面附近，水流出現(xiàn)不明顯的紊動(dòng)現(xiàn)象。而在相似的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，在明顯的斷面圖形變化處，往往出現(xiàn)明顯的水流紊動(dòng)。綜上，受限于FLOW3D模型中的正六面體結(jié)構(gòu)化正交網(wǎng)格的剖分方法，在局部圖形變化較大的斷面，水流運(yùn)動(dòng)仿真的準(zhǔn)確性有所降低。

4.2 斷面形狀對(duì)河道的影響

（1）由于河道中不同斷面形狀對(duì)整體河段的影響，河道橫斷面流速、縱斷面流速等的水力特性都發(fā)生了不同規(guī)律的變化。根據(jù)水力學(xué)試驗(yàn)中的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)比仿真試驗(yàn)中不同斷面形狀中水流的流線等水流特性，可以判斷仿真試驗(yàn)結(jié)果總體符合水力學(xué)特性;

（2）在單一形狀截面中，矩形和梯形的橫、縱斷面流速形態(tài)穩(wěn)定，橢圓形對(duì)河道流態(tài)有較多不利影響;在組合形狀中，復(fù)式梯形河道的流態(tài)較穩(wěn)定，水體紊動(dòng)現(xiàn)象較其他斷面較不明顯。總體而言，復(fù)式梯形河道的水流流速較緩，流速變化較小，對(duì)于河道的沖剪作用較小，可作為最佳河道斷面研究;

（3）在河道中，為避免出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)水體流速過(guò)大等不利現(xiàn)象，應(yīng)避免將橢圓等曲線圖形作為河道斷面圖形，曲線斷面對(duì)河道水力特性的負(fù)面影響較突出;

（4）在實(shí)際的河道修建時(shí)，結(jié)合動(dòng)能經(jīng)濟(jì)分析，綜合考慮最優(yōu)經(jīng)濟(jì)斷面、河道淤沙等實(shí)際問(wèn)題，設(shè)計(jì)最優(yōu)斷面形狀。

4.3 不足與展望

筆者在考慮河道斷面形狀對(duì)河道水力特性影響的問(wèn)題時(shí)，基于光滑邊壁的情況提出仿真實(shí)驗(yàn)的相關(guān)假設(shè)，未能考慮河道中泥沙淤積、不光滑壁面摩擦等實(shí)際因素對(duì)河道水流的影響。在后期的仿真實(shí)驗(yàn)中，受時(shí)間所限，未能充分使用河流模型來(lái)模擬自由水面運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有充分發(fā)揮FLOW3D模型的特點(diǎn)。鑒于FLOW3D模型中網(wǎng)格劃分方法的局限性，可結(jié)合FLUENT模型中自定的網(wǎng)格劃分方法，對(duì)FLOW3D模型仿真結(jié)果作出補(bǔ)充試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 邵學(xué)軍，王興奎. 河流動(dòng)力學(xué)概論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2] 孫麗.復(fù)式河道水流特性數(shù)值模擬研究[D].河海大學(xué)，2007.

[3] 孫亞明.順直型復(fù)式河道斷面三種水流數(shù)值模擬方法對(duì)比研究[J].內(nèi)蒙古水利，2018（9）：60-62.

[4] 胡海松，羅居剛，邰洪生，等.不同斷面形狀的河段對(duì)整體河道水力特性影響研究[J].水利科學(xué)與寒區(qū)工程，2018，1（10）：19-22.