灌區明渠過渡段平面大擴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 庫爾勒 841000)

水利工程領域，明渠過渡段是各類水工建筑結構中重要組成部分，例如對泵站輸水池或水電站的尾水泄洪等，明渠滲流穩定性會在一定程度上影響工程安全運營，研究過渡段水力特性對提升水工建筑物結構滲流安全認識具有重要作用[1- 4]。作為重要控導措施，布設翼角等結構，是緩和過渡段水力沖蝕的重要措施，針對控導措施下流場安全穩定性，已有一些水利工程師通過室內物理模型試驗開展應用研究，模型主要針對泵站進水池與水電站[5- 8]。另外數值模擬方法是流場特征參數計算重要手段，通過借助數值幾何模型，構建過渡段運營工況，分析流場內紊流狀態[9- 12]，提出不同控向導流措施，為水工建筑結構的安全運營提供重要的設計參考。

1 計算理論

在農業灌區中，明渠水流運動連續性方程服從下式[13- 14]

(1)

結合數學微積分理論，得到散度表達式為

(2)

當流體介質壓縮自由度被約束，則散度方程可簡化為

(3)

式(1)～(3)中，u、v、w—流速分量；Sm—試驗有關的參數項。

流體運動過程中亦服從以下公式：

(4)

式中，Fx、Fy、Fz—各方向上的體力分量；p—壓力；τij—粘性力分量。

聯立標準N- S方程，獲得散度表達式的N- S方程為

(5)

式中，grad—梯度函數；Su、Sv、Sw—試驗有關的常數項。

利用流體N- S方程，獲得紊流脈動關系，即湍動能與耗散率之間有如下關系：

(6)

(7)

另一方面，湍流模型是計算流體運動過程中渦旋狀態參數的最佳工具，因而，本文在上述連續性運動守恒方程基礎上，以雙方程模型表述湍動能狀態，其表達式為：

(8)

(9)

其求解依照紊流動粘度系數及Prandtl參數，方程求解為

(10)

(11)

式中有

(12)

(13)

式(10)—(13)中，σk、σε、C1ε、C2ε、C3ε—試驗常數參數；η—動量參數常數項；Gk、Gb—流場湍動能；μeff—有效粘度系數；Sk、Sε—與k、ε流場參數有關的常數項；αk、αε—Prandtl參數。

針對自由表平面，由于本文研究對象為明渠入口處水力特性，因而，邊界條件采用質量流方程，其參數計算采用下式：

(14)

式中，I—紊流強度；Re—雷諾數，u、與前述式子一致。

(15)

上述理論為流體力學計算方法，由于本文采用有限元離散方法迭代求解，以動量參數為例，給出有限元動量離散方程為

(16)

將上述求解的流速與壓力等流場特征參數進行修訂，得到：

(17)

式中，ue、vn—修正后流速與壓力值。

基于上述計算理論方法，本文以速度-壓力場耦合計算手段，在FLUENT軟件中進行明渠過渡段平面大擴散角水力特性計算分析。

2 工程概況

某灌區規劃建設東西長度約為35km，可實現灌溉面積160萬畝，灌區內干渠設計長度為18km，共有14條支渠，每條渠道均以格賓石籠的透固體物布設防滲結構，減弱渠道長距離運輸過程中水資源浪費影響，灌區內水資源主要來自于地下水與地表水，其中又以地表水資源占比最高，達65%。為了更好節省水資源，在明渠設計修建時，考慮修建一條尾水渠過渡至地勢較低的河漫灘，開挖長度為1km，深度約5～6m，設計以0.65坡度作為流水壁面，兩側防滲堤身均按照重力式混凝土大壩建設防滲墻的措施，堤面均布設止水面板等結構，提升灌區內水資源在下游農業灌溉效率。由于尾渠修建涉及到渠道或襯砌結構穩定性，泄流槽滲流場分布，甚至由于地勢較高，加設的消力池水利設施亦會在一定程度上影響明渠水力特性，因而本文取明渠過渡段上下游各一部分，再結合30°擴散角區段上邊翼特征點，即平面區域內大擴散段，當擴散角30°時無法體現整體明渠水力特性，因而將單側擴散角增加至60°，即為本文研究對象。

研究對象所在區域內屬灌區地勢由高至低的中間地帶，由于支渠為借助地表河流開挖形成，因而該場地實質上主要為河流沖積階地，表面覆蓋有種植土，主要為農業生產用地，因而該部分土層中厚度較薄，最厚處僅為2.5m，含水量適中，主要為人工新進堆積土層；下臥土層中還分布有粉質壤土，夾有礫石碎屑，粒徑在2～8mm，密實性較差，儲存水資源較困難，在施工修建明渠前，應考慮進行夯實處理；除此之外，在基巖上覆蓋層中還分布有細砂土，厚度約為3.7～6.8m，密實性較好，級配良好，下游的消力池地基基礎可考慮采用該土層；基巖層包括有白云質灰巖與砂礫石，其中白云質灰巖分布較為廣泛，根據取出樣品可看出，砂礫石破碎性顯著，強度較低，已達到強風化作用，分析砂礫石沉積是由于長期以往的風力等物理搬運作用在此區域內堆積形成，灰巖鉆孔取出樣品顯示完整性較好，表面無顯著孔隙，強度較高。在此工程資料基礎上，以ANSYS建立明渠過渡段研究體的幾何模型，如圖1所示，相關邊界參數以及巖土參數均以室內試驗為依據。

圖1 明渠過渡段幾何模型

3 平面大擴散角水力特性

3.1 建模及研究工況

針對于明渠過渡段平面區域的大擴散翼角水力特性，分別設置有、無控向導流設施，本文所構建模型如圖2所示，由于明渠過渡段處壁面接觸處于耦合狀態，因而劃分網格單元時，以混合式網格單元體模型進行表示，最大網格單元設定為40mm，共獲得網格數294120，節點數243638。邊界條件主要分為進、入口，壁面，自由表平面，其中進、入口邊界條件按照前文所述相關計算理論，獲得湍流等外參數，壁面接觸條件設定為無滑移式固定壁。

圖2 過渡段擴散角數值模型

研究工況分為有、無控向導流設施，其中無控向導流研究中分為低-中-高三個流量強度，有控向導流措施中以50L/s流量為對比組，其他外參數均一致。

3.2 無控向導流設施

由于明渠過渡段上流層分布較多，特征流層取迭代步長為T=6000step，水深為0.12m，分別獲得三個流量工況下流場特征云圖，如圖3所示。從整體來看，三個流量工況下的無控向導流明渠設施均出現了回流現象，且回流區域主要集中在Y負向，長度約有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。隨著無控向導流設施中過渠流量增大，仍然存在顯著回流，且回流區域仍維持在Y負向，且長度有所增加，流量50L/s時回流區長度約為9m，而30L/s下回流區僅6m；另一方面，回流強度亦有所增加，流量50L/s時回流區最大流速值是30L/s的3.25倍。即無控向導流設施特征斷面中在各過渠流量下均存在回流區，當流量值增大時，回流區強度與回流區占流場比重愈多，相應的在回流區主流擠壓作用愈強。

圖3 流場特征云圖

針對擴散角區域流場特征，給出大擴散角與過渡段連接區域壓力場云圖，如圖4所示。從圖4中可看出，三個流量工況下壓力強度均呈由渠道外側逐漸增大至末端，其中發生重要轉變點即是在連接點區域處。在小流量工況下，銜接點區域壓力強度呈外側窄斷面緩步增大至寬斷面，過渡段遞增的層次效應顯著；隨過渠流量增大，窄斷面的較小壓力強度逐漸蔓延至寬斷面內，且在轉角處出現有逆壓力場，即在流量40、50L/s出現有600Pa的壓力分布。分析表明，由于過渡段銜接區域收到翼角約束影響，整體上隨過水斷面的突變型，壓力場分布逐漸變大，但當處于高過渠流量時，主流的高強度會擠壓主要流線，而在一些轉角區域上由于過度效應，反而會出現較小壓力場，即逆壓力分布。

圖4 壓力場云圖

將明渠過渡段區域進行流速切片分析，獲得如圖5所示切片后流速結果云圖。從圖5中可看出，三個流量工況下明渠過渡段12個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，另在高流量強度下，流速整體水平較高。50L/s流量下第3個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%。從流速分布形態來看，當處于小流量強度時，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；大流量強度下的流速主線在流場內便宜程度與小流量強度下相反，X向前端多，末端較弱；在X向中間流段內，流速矢量線偏移程度與流量強度呈正相關，越大的流量強度，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量不均勻度參數變化曲線，如圖6所示。從圖6可看出，動量不均勻度參數整體上與切片流速變化規律一致，均呈先陡降后緩升至穩定狀態，低流量強度下的動量不均勻度值高于高流量強度，即低過渠流量下流場穩定性更較好。動量不均勻度值陡降均集中在前兩個切片斷面，30、40、50L/s流量強度下降低幅度分別為6.1%、6.9%、7.6%，上升趨勢均集中在第6個切片斷面處，在該切片斷面后，逐漸上升至不均勻度穩定狀態，即流體運動的劇變性逐漸減弱，流場趨于穩定。

3.3 有控向導流設施

為對比有、無控向導流設施下明渠過渡段流場特性，給出如圖7所示流場對比云圖。從圖7中可看出，加設有控向導流的翼角后，回流區域明顯較少，回流長度由無控向導流下的9m減少至5m，且有控向導流下流速分布趨于對稱狀態，Y向兩側在翼角分流作用下，沿著壁面向下游運動，主流速受回流影響顯著減弱，橫向上分布的流速結構整體形態高于無控向導流設施下。

有控向導流設施下Y=0剖面上流速分布云圖如圖8所示，該剖面上X向流速最高值出現在翼角設施區域，分析是由于泄流時對翼角的沖擊作用，導致該區域流速較大，但在過翼角后，流速顯著降低，且逐步處于均勻狀態，穩定在0.9m/s左右；Z方向流速整體過度較為平緩，無顯著渦流回旋特征。從流速矢量圖可看出，翼角上游區域渦旋特征顯著，流速過大，分布在翼角前端，當過翼角后，渦旋動能下降，流速回旋逐漸減弱，由此可見，在設置翼角控向導流后，明渠過渡段流速分布逐漸從渦旋流運動逐漸變緩為穩定流，流場穩定性大大增強。

有、無控向導流設施下動量不均勻度值比較曲線如圖9所示，從圖9曲線變化形態來看，增加翼角控向導流后，不均勻度值水平整體升高，雖各切片斷面上變化趨勢仍與無控向導流下一致，但穩定性大大提升，在第6個切片斷面處，無控向導流設施的動量不均勻度值為0.866，設翼角后增加了3.4%，達0.898。綜上表明，明渠過渡段大擴散角區域，以翼角控向導流有助于提升流場穩定性，加墻明渠過流安全性，提升明渠運營壽命。

圖5 明渠過渡段切片后流速云圖

圖6 動量不均勻度參數變化曲線

4 結論

針對明渠過渡段擴散角水力特性問題，引入流場分析計算理論，研究了有、無控控向導流設施下明渠過渡段水力特性，得到如下結論：

(1)無控向導流設施下各過渠流量下均存在回流區，回流區強度與流場中占比均隨流量強度增大而提高，回流區域集中在Y負向，流量40L/s時回流區長度8m，流量50L/s時回流區最大流速值是30L/s的3.25倍；壓力強度由渠道外側逐漸增大至末端，高過渠流量時在轉角銜接區域會出現逆壓力分布。

圖7 有、無控向導流流場特征對比

圖8 有控向導流設施明渠過渡段流速云圖

圖9 有、無控向導流設施不均勻度對比

(2)無控向導流設施下斷面流速隨X向先陡降后緩增，高流量強度下，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，低流量強度下與之相反；動量不均勻度值呈先陡降后緩升至穩定狀態，該參數在低流量強度下高于高流量強度，低過渠流量下流場穩定性更好。

(3)有、無控向導流設施水力特性計算對比，有控向導流設施時主流速受回流影響減弱，在翼角控向導流后，流場渦旋動能下降，回旋減弱，不均勻度值水平整體升高，第6個切片斷面的不均勻度值相比無控向導流設施時增加了3.4%，流場穩定性增強。