不同坡角引水渠道水力特性分析

宋先鋒

（德州市農村供水管理處,山東 德州 253014）

0 引言

引水渠道水力特性對輸送水效率具有較大的影響，因此，獲取最優進/出水口參數，有大量學者進行了相關的研究。高學平等[1]通過多島遺傳算法對側式進/出水口體型進行優化設計，體型優化后水頭損失系數減少3 %以上，不均勻系數小于20%，水力條件明顯改善；王晨茜[2]以芝瑞抽水蓄能電站為例，通過數值模擬方法研究豎井式進/出水口的水力條件，通過優化設計后，水力特性改善明顯；劉際軍等[3]采用數值模擬方法，研究不同布置形式下豎井式進/出水口的水流特性，認為使用錐管擴散可降低水頭損失；梅家鵬等[4]以句容抽水蓄能電站通過模型試驗研究側式進出水口水力特性，通過降低出水口高度優化體型，提高了水流擴散性能，水頭損失也明顯降低；劉際軍等[5]通過模型試驗認為增大擴散角、降低引渠高程可消除不利環流，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象，通過模型試驗，研究各流道分流特性，認為將邊隔墩移至起始擴散面，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/出水口位置及形狀對流態的影響和優化設計進/出水口形式，認為采用組合彎管、長倒錐體可明顯改善水力特性。在前人研究的基礎上，采用數值模擬方法研究渠道坡角對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 個分流墩，4 個流道，立面單向分流，垂直擴散角為2.6°，平面雙向擴散，擴散角34°，擴散段長為36.0 m，漸變段長12.0 m，調整段長14.5 m，防渦梁段長10.0 m，為側進式體型，平面見圖1。根據設計引水渠道建立數值模擬模型。

圖1 進/出水口體型平面圖

2 數值模擬結果

2.1 死水位下計算結果

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Re=2.8×107。通過Fluent軟件RSM紊流模型計算獲取流量分配情況，計算結果見表1，中間孔位垂向流速分布計算結果見圖2。從表1可知，流量分配呈對稱分布，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，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 流量分配結果

圖2 中間孔位垂向流速分布

2.2 引水渠道不同坡角數值模擬結果

為研究引水渠道不同坡角工況下水力特性的變化情況，在其他參數保證不變的情況下，設計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與引水渠道坡角變化的關系，根據2.1 流量分配計算結果可知，對稱體型條件下，1 號與4 號、2 號與3 號計算結果相同，因此可僅研究1 號、2 號出水口。

2.2.1 流速分布

不同渠道坡角流速云圖見圖3。

圖3 流速場分布

根據邊孔流速云圖可知：當渠道坡角從0°變化至8°的過程中，40 m～60 m范圍內流速變化較小，流速分布基本一致，在擴散段進口處，孔口中間部位為主流位置，在45 m～50 m處主流位于兩側分流墩。在25 m處，當引水渠道坡角在0°～4.0°時，主流位于兩側分流墩；當引水渠道坡角在6.0°～8.0°時，主流位于兩側分流墩與頂板的夾角處。在10m處，當引水渠道坡角在0°～4.0°時，流速分布較為均勻；當引水渠道坡角在6.0°～8.0°時，流速分布表現為上部流速大，下部流速小。當引水渠道坡角在0°～4.0°時，無反向流速出現，當引水渠道坡角在6.0°～8.0°時，逐漸在底部出現反向流速區，在10 m處反向流速消失。

根據中孔流速云圖可知：當引水渠道坡角從0°～8.0°變化的過程中，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。當坡角為0°時，主流在頂部發展又逐漸消失，當坡角在2.0°～8.0°時，反向流速區向底部發展并逐漸消失，主要原因是隨著渠道坡角的增大，主流上移，抑制頂部流動的分離，促進底部流動分離。

2.2.2 水頭損失與流量分配

水頭損失與流量分配數值模擬計算結果見表2。由表2可知，邊孔流量隨著引水渠道坡角的增大呈現先減小后增大的趨勢，中孔流量則先增大后減小。邊孔流量首先由20.2%逐漸減小，當坡角增大達到垂向擴散角2.6°時，邊孔流量所占比例達到最小值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%。流量分配結果與引水渠道坡角關系曲線見圖4。

表2 水頭損失與流量分配結果

圖4 流量分配結果與引水渠道坡角關系曲線

水頭損失系數與引水渠道坡腳的關系：隨著引水渠道坡角的增大，水頭損失系數由0.351 先減小后增大，當坡角逐漸增大至2.6°時，水頭損失系數達到最小值0.347，此時，輸送水效率最高，隨著坡角的繼續增大，水頭損失系數又逐漸增大至0.364，輸送水效率逐漸降低。水頭損失系數與引水渠道坡角關系見圖5。

圖5 水頭損失系數與引水渠道坡角關系曲線

2.2.3 流速不均勻系數

流速不均勻系數計算結果見表3。從表3可知：邊孔、中孔流速不均勻系數隨著渠道坡角的增大，均表現為先減小后增大的變化趨勢。當渠道坡角等于0°時，邊孔流速不均勻系數等于1.52，中孔流速不均勻系數為1.78；當渠道坡角增大至等于垂向擴散角2.6°時，邊孔、中孔流速不均勻系數降低至最小值，此時邊孔、中孔流速不均勻系數分別為1.41和1.72；隨后邊孔不均勻系數逐漸增大至2.12，中孔不均勻系數增大至2.46。

表3 流速不均勻系數計算結果

3 結論

（1）反向流速區的面積與位置受引水渠道坡角影響較大，邊孔反向流速區與渠道坡角關系為：當引水渠道坡角在0°～4.0°時，無反向流速出現；當引水渠道坡角在6.0°～8.0°時，逐漸在底部出現反向流速區。中孔反向流速區與渠道坡角關系為：當坡角為0°時，主流在頂部發展又逐漸消失；當坡角在2.0°～8.0°時，反向流速區向底部發展并逐漸消失。

（2）當引水渠道坡角與垂向擴散角相同時，水力特性較好，此時水頭損失系數和流速不均勻系數均較小，中孔流量分配所占比例最大，可為類似工程設計提供參考。