陜西省澄城縣大峪河李家河村段河道水流數(shù)值模擬

白祖暉，周尚銀

(1.甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000；2.景泰川電力提灌管理局，甘肅 景泰 730400)

1 引言

隨著計算機(jī)科學(xué)和計算流體力學(xué)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬廣泛應(yīng)用于水利工程的研究、規(guī)劃和設(shè)計中。已成為工程優(yōu)化的一個重要手段，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在：(1)在解決工程實際問題的過程中，運用數(shù)值模擬可以挑選最優(yōu)的試驗方案和設(shè)計方案，并且可以減少試驗周期、費用以及實驗次數(shù)，高效地獲得最佳的設(shè)計方案和試驗；(2)從某些意義來說，數(shù)值模擬比試驗研究和理論分析對流體運動的過程有更加深刻、細(xì)致的認(rèn)識，不僅可以了解整體和局部的細(xì)節(jié)行為，還能得到動態(tài)的結(jié)果；(3)數(shù)值模擬可以從理論上探究流體運動的現(xiàn)象和規(guī)律，還可以代替一些危險的、昂貴的，甚至難以實現(xiàn)的試驗，如洪水演進(jìn)、水壩潰壩等；(4)可實現(xiàn)對多種復(fù)雜物理條件下流場的真實和全域的模擬，也可實現(xiàn)理想狀態(tài)下的模擬計算，比如可以將某一現(xiàn)象單獨隔離開來進(jìn)行研究。

本文應(yīng)用Flow-3D軟件對水利工程經(jīng)常涉及到的天然河道水流流態(tài)進(jìn)行模擬分析。首先介紹Flow-3D軟件采用的數(shù)學(xué)模型和計算方法，然后結(jié)合工程案例對不同工況下水流流態(tài)進(jìn)行模擬分析，同時通過經(jīng)驗公式計算結(jié)果對比分析河道水面線、水面寬度、速度場等水流流態(tài)的分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上驗證其可靠性。

2 數(shù)學(xué)模型和計算方法

Flow-3D采用CFD計算技術(shù)，根據(jù)自行定義的多種物理模型，應(yīng)用于多種不同的工程領(lǐng)域。其特有的FAVOR方法和針對自由液面(Free surface)對如常見的流體問題(MetalCasting)與大地水利學(xué)等復(fù)雜問題提供了更高精度、更高效率的解答[1]。

2.1 湍流模型

目前工程中應(yīng)用最為廣泛的湍流模型為RNGκ-ε模型。RNGκ-ε模型是由Yakhot及Orzag提出的，又稱重整化群κ-ε模型。該模型中的RNG是英文“renormalization group”的縮寫。在RNGκ-ε模型中，通過在大尺度運動和修正后的粘度項體現(xiàn)小尺度的影響，而使這些小尺度運動有系統(tǒng)地從控制方程中除去，所得到的κ、ε方程與標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型[2]非常相似，但其中的系數(shù)由理論分析而得出：

(1)

(2)

與標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型相比較發(fā)現(xiàn)，RNGκ-ε模型主要有如下變化：

(1)RNG通過修正渦粘系數(shù)，考慮了旋轉(zhuǎn)流動的情況和平均流動的情況；

(2)在湍動耗散方程中添加了體現(xiàn)主流的時均應(yīng)變率一項，這樣，使得RNGκ-ε模型中的產(chǎn)生項即與流動情況有關(guān)聯(lián)，又在相同一問題中還是空間坐標(biāo)的函數(shù)。

2.2 VOF模型

VOF法是Hirt和Nichols于1981年提出的一種處理復(fù)雜自由表面的有效方法，它是在標(biāo)記網(wǎng)格法(MAc法)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其基本原理是通過研究網(wǎng)格單元中流體和網(wǎng)格體積比函數(shù)F(x，y，z，t)來確定自由面，它不是跟蹤自由液體表面上質(zhì)點運動，而是追蹤流體變化。VOF法具有需要存儲量少、節(jié)省時間的優(yōu)點。若F=1，則表明單元全部為指定第一相流體所占據(jù)；若F=0，則該單元為全部指定第二相流體所占據(jù)，而不存在第一相流體；當(dāng)0

VOF模型中，認(rèn)為水和氣具有相同的速度場和壓力場，因此，水氣兩相流可用一組方程來描述流場：

ρw=Fρw+(1-F)ρa(bǔ)

(3)

μw=Fμw+(1-F)μa

(4)

式中：ρw、ρa(bǔ)分別是水和空氣的密度；μw、μa分別是水和空氣的分子粘滯系數(shù)。

3 水流流態(tài)的計算結(jié)果與理論計算的對比分析

3.1 研究區(qū)概況

大峪河屬渭河水系北洛河一級支流，發(fā)源于黃龍山脈佛爺嶺，源頭海拔高程1741 m，由北向南，流經(jīng)合陽、澄縣、蒲城三縣，在蒲城縣永豐鎮(zhèn)西固村附近匯入北洛河，河道總長87.8 km，全流域面積479.2 km2，河床比降6.7‰，結(jié)合大浴河羅家洼鄉(xiāng)李家河段堤防工程興建河段，對建堤河段上下游1580 m范圍修建堤防前后，采用三維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。該流域自上而下依次為渭北黃土丘陵溝壑區(qū)，黃土高原溝壑區(qū)及黃土臺塬區(qū)，流域海拔高程在400 m～1600 m之間。在堤防修建以前的天然河道，糙率取0.034，堤防修建以后，對于漿砌石邊坡，糙率n取0.031。通過計算，比較分析建堤前后的流速場數(shù)值模擬計算值與工程段設(shè)計值，一方面驗證模擬結(jié)果的有效性，另一方面體現(xiàn)該計算軟件的實用性。

3.2 水流流態(tài)的計算與分析

為了驗證CFD水面線計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文采用斷面試算法，對于大浴河羅家洼鄉(xiāng)李家河村段河道四種工況下各個斷面進(jìn)行水面線計算。天然河道蜿蜒曲折，其過水?dāng)嗝鏄O不規(guī)則，同時底坡和糙率往往沿程變化，河道糙率還常隨水位變化。這些因素使得天然河道中水力要素變化復(fù)雜，一般情況下水流都是非均勻流。本文根據(jù)《水利工程水力計算規(guī)范》(SL 104-95)，采用恒定非均勻流能量守恒方程計算水面線[3-4]，其方程為：

(5)

式中：z1、v1分別為上游斷面水位、流速；z2、v2分別為下游斷面水位、流速；α1、α2分別為上、下游斷面的動能修正系數(shù)；Δhw分別為上下游斷面之間的水頭損失。

根據(jù)下游控制斷面水位，由下游向上游逐段推算，可推算出各斷面的設(shè)計洪水水位高程，將其與CFD結(jié)果對比，見圖1、圖2。

圖1 不考慮橋涵壅水下的水面線結(jié)果

圖2 考慮橋涵壅水時的水面線結(jié)果

由圖1、圖2可知，在修建堤防前的天然河道情況下，從模擬結(jié)果中可以計算出壅水長度為504 m，即在橋涵以上504 m時達(dá)到了相同水位高程550.39 m。在修建堤防以后橋涵壅水長度418 m，即在橋涵以上418 m時水位高程相差不大，都是550.03 m；將此結(jié)果與前面用理論公式計算的水面線及壅水長度的計算值相比較，結(jié)果接近，誤差較小。

3.3 水面寬度計算

在洪峰流量為136 m3/s時，選取一些具有代表性的斷面，運用Flow-3D軟件對李家河段進(jìn)行數(shù)值模擬分析，均可較好地解析出該流場的水力參數(shù)，計算的水面線與理論計算值吻合程度較高，水面寬度的吻合也較好，在D5、D6兩個斷面出現(xiàn)了較大的誤差，經(jīng)分析主要原因是將橋涵和河道工程段作為一個整體建模時，對橋涵的模型處理不是很精確，其次是橋涵壅水本身其流場的復(fù)雜性。從表1、表2水面寬度計算結(jié)果中可以看出四種工況下的水深和平均流速相差不大，水面寬度變化較大，從而說明初步擬定的修建堤防的寬度和位置也比較合理，從防洪方面來講修建堤防也有很大的實際工程意義。

表1 不考慮橋涵壅水時的水面寬度

表2 考慮橋涵壅水時的水面寬度

3.4 典型斷面流速矢量的計算

四種工況下各個斷面的流速矢量分布圖見圖3～圖6。

(a)X=400 m

(a)X=400 m

(a)X=400 m

圖3～圖6為本次計算的各個工況下所取得的4個斷面的流速矢量分布圖，圖中可以明顯地看出修建堤防后河槽的變化以及洪峰來時，沿河道橫斷面流速的矢量分布。通過四種工況的對比可知，在修建了堤防以后，河勢沒有發(fā)生明顯變化，還是沿原來的河勢方向，洪峰被控制在住河槽以內(nèi)。通過對河道斷面流速矢量的分析可以知道每個斷面的流速分布及對河床造成的影響。在修建堤防時可以參考，了解某個斷面需要著重處理和護(hù)堤，防止沖刷，也可以發(fā)現(xiàn)某個斷面，有回水產(chǎn)生，防止淤積。這樣在實際堤防工程修建中可節(jié)省較大的工程開挖量或回填土方量，降低工程經(jīng)濟(jì)成本，同時對于工程的優(yōu)化及可行性提供相關(guān)參考和一定幫助。

4 結(jié)論

(1)本文應(yīng)用Flow-3D軟件對羅家洼鄉(xiāng)大浴河李家河村段天然復(fù)雜河道以及修建堤防后的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并且結(jié)合實際工程資料對河道中橋涵的壅水進(jìn)行了分析，河道水流流態(tài)、流速分布、水面線、水面寬度進(jìn)行了對比分析。結(jié)果顯示計算得到的水流參數(shù)與實際工況吻合較好，另外天然復(fù)雜河道中的Fr值分布、紊動能分布圖和流速矢量圖進(jìn)一步提供了天然復(fù)雜河道更全面的流場信息。

(2)通過詳盡的分析可以得出在天然復(fù)雜河道中橋涵壅水長度。通過對修建堤防后的河段以及含橋洞壅水的模擬計算，驗證了堤防修建的位置、范圍及高度的合理性，可以為堤防的興建以及防洪提供技術(shù)參考和經(jīng)驗。

(3)Flow-3D軟件中的RNGk-ε雙方程紊流模型能夠給出天然復(fù)雜河道中水流的流態(tài)以及橋涵的阻水情況，TruVOF法能較為準(zhǔn)確地實現(xiàn)自由表面的跟蹤模擬，對水面線的預(yù)測精度較高，說明該數(shù)學(xué)模型和計算方法具有一定的可靠度。由于天然中小河流的復(fù)雜性，某些復(fù)雜斷面的地形不是很精確，其次由于本文所取模型屬于中小河流域，河床屬于窄、淺、長形，使得計算結(jié)果還不是特別理想，而且整個模擬計算過程花費時間較長，這與計算時模型的選取以及糙率等參數(shù)的選取也有一定的關(guān)系，希望在以后的研究過程中繼續(xù)提高。