防沖槽的模型試驗與二維數(shù)值模擬

李娟

（新疆水利水電科學研究院，新疆烏魯木齊830000）

1 概述

山區(qū)河流在汛期時，水中泥沙、推移質(zhì)含量較多，增加了對河床的沖刷程度，致使水工建筑的壽命大為縮短。因此，很多學者對沖刷問題進行研究，例如陳卓英[1]，通過水槽試驗對消力池進行型式優(yōu)化，降低了消力池內(nèi)水流流速，而且減輕了下游海漫段和防沖槽的消能壓力。王協(xié)康[2]，通過水槽試驗，探討了漂石顆粒對河床沖淤的影響，對比分析了不同水沙條件下漂石對推移質(zhì)輸沙率過程的影響。蒙文賓[3]，采用VOF 法對消力池流場進行三維數(shù)值模擬，結(jié)果與水力學計算基本吻合。

為了探究適用于新疆多沙河流的防沖槽，本文首先對清水時未拋填卵石的防沖槽進行試驗和數(shù)值模擬[4，5]，得到水流的流態(tài)、流速分布情況，為后期的研究做鋪墊。

2 模型設計

3 防沖槽二維模型建立

3.1 模型建立

首先進行二維模型的計算與調(diào)試，模擬防沖槽未拋填卵石，為清水的工況。在數(shù)值模擬中，對形式簡單的裝置或建筑物采用二維數(shù)值模擬可以大大節(jié)省計算時間。

依據(jù)具體尺寸，按照1∶1 的比例繪制工程圖，建立數(shù)學模型，如圖1 所示。X，Y兩個方向分別為防沖槽的縱向、高度，X方向分別向上、下游延長80 m，減小進出口對結(jié)果的影響，則X坐標范圍為-88.8～215.0 m，Y坐標范圍為916.5～937.5 m。

圖1 拋石防沖槽二維模型示意圖

3.2 網(wǎng)格劃分

主要采用四邊形規(guī)則網(wǎng)格，防沖槽后半部分采用不規(guī)則網(wǎng)格進行劃分，在上下游水位附近網(wǎng)格劃分較為密集，網(wǎng)格數(shù)總共3.7 萬，如圖2 所示。

圖2 區(qū)域網(wǎng)格劃分

3.3 邊界條件

1）進口邊界。進口邊界分為兩部分：一部分為空氣進口，設置為大氣壓力進口；另一部分為水進口，設置為速度進口，速度大小依據(jù)實測水位與流量計算出斷面平均流速。水進口為速度進口，空氣進口為大氣壓力入口。速度計算：流量Q=220 m3/s，A過水斷面面積=B（過水寬度）×H（水深）=37×2.88=106.56 m2，v=2.829 m/s。

2）出口邊界：出口部分分為大氣壓力出口或大氣壓力出口與水壓力出口結(jié)合，其中水壓力與出口水深有關。

3）固體邊壁：閘室、防沖槽、河床底部及側(cè)面均為固壁，其邊界條件按固壁函數(shù)處理，壁面處為無滑移邊界，對靠近壁面區(qū)域則采用標準壁面函數(shù)方法來處理。壁面粗糙高度設置為0.001 m，均勻分布。

4）自由表面：漸變段、連接段和進出口及下游渠道與大氣接觸，設置為壓力入口。

3.4 數(shù)值方法

采用顯式、k-ε紊流模型，采用VOF 法追蹤自由液面。

4 結(jié)果對比

4.1 流態(tài)及水位

流量為220 m3/s 時，待水流穩(wěn)定后，觀察水流通過閘室以及坡比為1∶4 的護坦后，流速增大，水深減小，流入防沖槽后水流發(fā)生混摻波動劇烈，流入河床部分后，能量快速消散，水流逐漸平穩(wěn)。

(1)使用時間序列微觀數(shù)據(jù)來研究中國農(nóng)村收入不平等得到的結(jié)果更為精準與可靠，研究結(jié)果表明1986—2003年間中國農(nóng)村地區(qū)收入不平等不斷擴大，而2003—2014年呈不斷縮小的趨勢，但是目前的收入不平等仍然較大。通過基尼系數(shù)可知，目前的收入不平等仍處于收入差距較大的區(qū)間，并且高于國際警戒線，雖然開始逐漸縮小，但是這個縮小的速率在降低，未來收入不平等下降可能趨于平緩，還需進一步采取措施降低中國農(nóng)村地區(qū)的收入不平等。

從上游至河床共選取9 個斷面進行量測，在水位波動較大處多次讀取，取平均值。受閘墩影響，中間水深略小于兩側(cè)水位。自1-1 斷面至9-9 斷面，左側(cè)水位由932.91 m 逐漸變化到930.63 m；自0+000 斷面至0+100.32 斷面，右側(cè)水位由932.94 m逐漸變化到930.51 m，中間水位由932.88 m 逐漸變化到930.54 m；槽內(nèi)整體水位均沒有大的波動。

將數(shù)值模擬結(jié)果與實測水位進行對比，如表1所示。通過對比可知，數(shù)值模擬結(jié)果與實測個別斷面誤差較大，大部分誤差小于5%。對比可知，閘前水位偏低，因為通過二維模型簡化后，不能模擬出閘孔對水流的束窄作用，但閘前水位對整體模型影響不大。6-6 斷面數(shù)值模擬與試驗值相差較大，由于模型試驗時該處水位波動幅度較大，取平均值作為結(jié)果，而數(shù)學模型水位在該處較穩(wěn)定，水位有偏差，誤差稍大。

表1 二維數(shù)學模型與物理模型試驗水位對比

4.2 流速

物理試驗：每個斷面取左、中、右3 個測線，水深較深處增加2 個測點，1/2 水深和2/3 水深。自1-1 斷面至 9-9 斷面，左側(cè)流速由 2.86 m/s 逐漸增加到7.98 m/s 又減少為0.81 m/s，右側(cè)流速由2.70 m/s 逐漸增加到 7.64 m/s 又減少為 1.18 m/s，中間流速由3.26 m/s 逐漸增加到7.98 m/s 又減少為0.79 m/s，3 個測線均在海漫末端形成最大流速。

將數(shù)學模型與物理模型各斷面流速進行對比，結(jié)果見表2。由表2 可得，2-2 斷面處數(shù)學模型計算速度偏大，最小流速已經(jīng)超過實測1/2 處的流速，分析原因是由于閘墩的側(cè)收縮使水流水位略微上升，但二維模型將該處簡化，此處水位低于模型試驗值，因此流速偏大；數(shù)模其他斷面平均流速與每個斷面中間流速大小接近。因此，整體來看流速分布及大小與實測接近。

表2 二維數(shù)學模型與物理模型流速對比

5 結(jié)語

對防沖槽未拋填卵石、清水狀態(tài)下進行模型試驗，通過施放典型流量，分析9 個斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得出：

1）槽內(nèi)整體水位變化規(guī)律：閘前兩側(cè)水位略低于中間水位，閘后兩側(cè)水位略高于中間水位；在海漫末端，水位呈現(xiàn)明顯收縮降低，并且在5-5～7-7斷面之間形成水躍，至7-7斷面受防沖槽尾端影響形成水位躍升，其后8-8與9-9斷面水位平穩(wěn)。

2）槽內(nèi)整體流速分布規(guī)律：左、右兩側(cè)沿程流速、流態(tài)基本相同，1-1～7-7 斷面中間沿程流速略大于兩側(cè)邊緣沿程流速，8-8 與9-9 斷面中間沿程流速小于邊緣沿程流速。

將數(shù)值模擬結(jié)果對比，得出流態(tài)、水位及流速數(shù)值模擬與模型試驗一致，若能采用三維數(shù)值模擬可消減進口連接段的誤差，此二維模型在后續(xù)的沖刷研究中可以繼續(xù)使用，與物理模型做對比研究。