調(diào)整池對彎道水流特性的影響

羅鳳杰，吳宇峰，文云平，王旭敏，李 信

(西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，四川 成都 610039)

彎道水流是一種常見的水流運(yùn)動現(xiàn)象，水流流經(jīng)彎道后將作曲線作用，流態(tài)復(fù)雜[1-4]。目前，國內(nèi)外諸多學(xué)者已通過理論、試驗(yàn)和模擬等方法對彎道水流進(jìn)行了大量的研究[5]，主要包括水面橫向超高、水面橫比降和速度重分布等方面。包括張紅武等[6]采用流速分布引入謝才系數(shù)得水面橫比降公式，張海燕等[7]通過作用于深度為通過壓力與離心力的平衡得水面橫向超高公式等。但目前對于調(diào)整池這一工程實(shí)際應(yīng)用價值高的改善彎道流態(tài)措施的研究較少。王艷梅[8]提出“彎道水流調(diào)整池”能夠改善彎道水流流態(tài)；趙丹[9]研究了彎道水流調(diào)整池結(jié)構(gòu)參數(shù)對流態(tài)改善能力的影響。筆者通過試驗(yàn)及數(shù)值模擬，研究了調(diào)整池長度參數(shù)對彎道水流的改善能力及設(shè)置調(diào)整池對超高的影響等。

1 模型概況及數(shù)值模擬

1.1 模型概況

1.1.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)遵循重力相似原則。模型尺寸為矩形過水?dāng)嗝妫瑢?.2 m，深0.15 m，彎道中心角為θ=90°，測量斷面編號W1—W9，W1和W9為上、下游直游段測量斷面，W2—W8為彎道段測量斷面(W2和W8為彎道進(jìn)出口斷面)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫娌贾靡妶D1。

1.1.2試驗(yàn)方案

根據(jù)三角堰適用流量小、精度高的優(yōu)點(diǎn)[10]和SL 155—2012《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定。試驗(yàn)采用直角三角薄壁堰，通過讀取堰上水深，流量按南京水利科學(xué)研究院校正后的擬合公式計(jì)算。固定流量30 m3/h，底坡i=1°，彎道中心角θ=90°。通過改變調(diào)整池長度參數(shù)設(shè)置試驗(yàn)4個工況進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)工況1—4對應(yīng)的調(diào)整池長度L=0.00、0.12、0.20、0.30 m。

1.2 數(shù)值模擬

以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，經(jīng)數(shù)值模擬方法驗(yàn)證和補(bǔ)充。模擬采用ANSYS軟件，建立RNGk-ε模型，結(jié)合VOF自由表面處理方法[11]，方程的離散采用有限體積法，運(yùn)用PISO算法對壓力和速度進(jìn)行耦合計(jì)算[13]。為排除彎道坡度影響，筆者選用典型工況進(jìn)行數(shù)值模擬研究，模擬工況為：流量30 m3/h，底坡i=0°，彎道中心角θ=90°，調(diào)整池長度L=0.30 m。

2 結(jié)果分析

2.1 橫向水面超高分析

水流在彎道段作曲線運(yùn)動，水面形態(tài)發(fā)生變化，表現(xiàn)為產(chǎn)生較大的橫向水面超高，用ΔH(m)表示，按ΔH=H1-H2計(jì)算(H1、H2分別為凹、凸岸水深)。

2.1.1未設(shè)置調(diào)整池水面超高分析

由圖2知：①在未設(shè)置調(diào)整池情況下，水流流進(jìn)彎道后，受慣性力和離心力共同作用，水面平衡遭到破壞，產(chǎn)生凸岸下降凹岸升高的橫向水位差，W4斷面附近達(dá)到峰值。水流經(jīng)彎頂W5斷面附件折沖，水流急劇紊亂，超高迅速降低至彎道下游段W6后，水流逐漸恢復(fù)平穩(wěn)，但仍在一定距離內(nèi)受彎道水流影響；②經(jīng)擬合，水面超高沿程表現(xiàn)出明顯的高斯分布關(guān)系，這與王旭敏等[12]研究結(jié)果相吻合。

圖2 未設(shè)調(diào)整池超高沿程分布

2.1.2設(shè)置調(diào)整池水面超高分析

由圖3知：①在設(shè)置調(diào)整池情況下，調(diào)整池起了分散水面超高作用[12]，使水面超高沿程呈現(xiàn)小波浪平穩(wěn)分布，最大水面超高較無調(diào)整池情況均明顯降低，調(diào)整池長度參數(shù)變化對彎道水流的改善效果明顯；②調(diào)整池的設(shè)置對彎道上下游超高分布均有所影響，且彎道的中心角位置(W5斷面)水面超高降低最為顯著，水面更平緩；③在4個工況下，最值出現(xiàn)位置集中出現(xiàn)在斷面W3或斷面W6上。

圖3 調(diào)整池長度變化時水面超高沿程分布

由圖4知：①彎道上游段斷面W3、W4和 W5超高隨調(diào)整池長度增大而呈先減后增的二次曲線關(guān)系，表明設(shè)置調(diào)整池能較好地改善彎道前半段水流水面差，但僅在適宜長度范圍內(nèi)改善效果明顯；②彎道上游段超高最小值出現(xiàn)在L=0.2左右，故L=0.2左右水面平穩(wěn)，流態(tài)改善效果更好；③彎道下游段斷面W6、W7和 W8超高與調(diào)整池長度無明顯規(guī)律性變化趨勢，表明彎道后半段水流流態(tài)紊亂，待進(jìn)一步研究；④W1和W9數(shù)值隨調(diào)整池長度參數(shù)變化很小，故彎道上、下游段水流幾乎不受調(diào)整池影響。

a) 彎道上游斷面超高與調(diào)整池長度關(guān)系

b) 彎道下游斷面超高與調(diào)整池長度關(guān)系

c)上、下游直斷面超高與調(diào)整池長度關(guān)系

2.1.3改善效果評價

引入σ2(方差)和橫向水面差降率α，分析調(diào)整池對明渠彎道水流的影響情況；方差差降率μ和水面均勻度β[13]，分析調(diào)整池長度參數(shù)對彎道水流流態(tài)改善效果。

(1)

(2)

(3)

式中 Δh0——未設(shè)置調(diào)整池情況下橫向水面差；Δh1——設(shè)置調(diào)整池情況下橫向水面差。

選用最大水面差集中斷面(斷面W3和W6)作為典型計(jì)算差降率。

(4)

式中H0——彎道水面平均水深；Hi——各斷面測點(diǎn)水深；n——橫斷面水深測點(diǎn)數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，調(diào)整池長度與方差及相對方差關(guān)系見圖5。調(diào)整池長度與水面差降率及水面均勻度關(guān)系見圖6。

圖5 調(diào)整池長度與方差、相對方差關(guān)系

圖6 調(diào)整池長度與水面差降率及均勻度關(guān)系

由圖5、6知：①調(diào)整池長度與各改善指標(biāo)關(guān)系均表現(xiàn)出明顯規(guī)律性；②調(diào)整池長度與方差呈遞減的線性關(guān)系，表明設(shè)置調(diào)整池使彎道水流沿程橫向水面更加穩(wěn)定，水面更均勻；③調(diào)整池長度與水面差降率呈線性關(guān)系，斷面W3處呈負(fù)相關(guān)，斷面W6處呈正相關(guān)，表明調(diào)整池長度參數(shù)變化會影響彎道上、下段的水面差，且影響效果不一樣；④調(diào)整池長度與方差差降率與水面均勻度均呈先減小后增加的二次曲線關(guān)系，表明調(diào)整池長度參數(shù)在一定范圍內(nèi)，對彎道水流流態(tài)改善效果影響明顯；⑤相對方差及水面均勻度最小值出現(xiàn)在調(diào)整池長度L=0.2 m左右處，說明L=0.2 m時，水流產(chǎn)生的橫向水面差小，水流更均勻，流態(tài)改善效果最優(yōu)，與前文結(jié)論對應(yīng)。故在調(diào)整池的工程應(yīng)用時，應(yīng)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整池長度。

2.2 數(shù)值模擬分析

目前，對不設(shè)調(diào)整池的彎道水流研究多[14]，關(guān)于相應(yīng)模型計(jì)算公式的研究較成熟，張海燕、毛佩郁等[7，14-15]都在大量研究的基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的彎道水流計(jì)算公式。實(shí)驗(yàn)、模擬和公式計(jì)算超高比較見圖7。

圖7 試驗(yàn)、模擬和計(jì)算超高比較

由圖7知：①試驗(yàn)和模擬中的沿程超高在數(shù)值上存在一定偏差，經(jīng)分析，數(shù)值偏差的原因是試驗(yàn)所用水泵供水不穩(wěn)定、測量誤差及數(shù)值模擬邊界條件設(shè)置與實(shí)際情況偏差造成的，偏差值符合實(shí)際情況；②試驗(yàn)與模擬結(jié)果的變化趨勢一致，均沿程大致呈二次曲線變化，符合彎道水流流態(tài)的實(shí)際分布，表明模擬方法正確，結(jié)果可信；③2個公式計(jì)算結(jié)果基本吻合[16]，結(jié)果呈不規(guī)律線性分布，水流沿程分布不符合實(shí)際彎道水流沿程先增加后減小的變化趨勢，計(jì)算結(jié)果誤差較大，適用于不設(shè)調(diào)整池的一般彎道水流計(jì)算公式不適用設(shè)置彎道水流計(jì)算公式。因此，對含有彎道調(diào)整池的模型計(jì)算公式有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

以實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，通過對在彎道底部設(shè)置調(diào)整池的研究，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識：①調(diào)整池對彎道水流流態(tài)改善效果顯著，使彎道水流更平穩(wěn)，水面更均勻，因此，在彎道設(shè)置調(diào)整池是一種行之有效的工程措施；②調(diào)整池對彎道上游段水流影響明顯，水流流經(jīng)調(diào)整池，使彎道下游段水流紊亂加劇；③適宜尺寸的調(diào)整池長度可以有效改善彎道水流流態(tài)，但超出該范圍以后，效果有所降低，因此，在調(diào)整池的工程應(yīng)用時，應(yīng)合理選擇調(diào)整池長度；④設(shè)置調(diào)整池后彎道水流水面超高公式計(jì)算結(jié)果存在較大誤差，因此，在彎道設(shè)置調(diào)整池的相關(guān)公式計(jì)算有待進(jìn)一步研究。