非等溫明渠交匯流的水力-水溫特性研究

殷心盼，管光華

（武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072）

0 引 言

水溫是天然河流及人工明渠中的水文物理特征之一，其變化對水生生物、農田灌溉及河渠內冰情具有重要意義［1-4］。在中國，北方寒冷地區的引調水工程在冬季運行時，可能會由于氣溫降低而出現渠道內結冰的現象［5］，甚至出現冰凌下潛從而發生冰塞、冰壩等冰期運行災害。段文剛等［6］結合南水北調工程2011-2016年冬季觀測數據提出形成穩定冰蓋以維持工程安全運行的水力控制方式，但此方法將大大降低渠道冬季輸水能力。而劉新鵬［7］、吳素杰等［8］學者研究證明在新疆某電站采用地下井水匯入渠道以提升水溫、控制渠道冰害是一項經濟安全的技術措施，其從源頭上提升渠道水溫、減少渠冰的形成，為緩解引調水工程冬季渠冰災害提供一種新思路?？刂魄纼缺榈年P鍵在于對渠道水溫的調控。河渠水溫由氣候與水文過程共同決定，影響因素包含上游來流的初始溫度、與大氣之間的輻射熱量交換，水流的潛熱等［9］。段亞飛［10］等提出能夠響應氣象條件實時變化的動態水溫快速計算辦法，戴盼偉［11］等基于南水北調中線工程建立一維水溫數學模型，并對冷暖冬年氣象條件下的沿線水溫進行分析。此外支流的熱通量匯入也將影響下游河段的水溫變化過程，因而在水溫計算中也不可忽略。King等［12］對北極低洼地區河流水溫建模計算，結果表明支流入流熱通量最高可占河流全部熱通量的26%。蔣博等［13］結合原型觀測和數值模擬發現瀾滄江支流匯入使得干流水溫降低0.8 ℃。鞠鵬飛等［14］建立平面二維水動力-溫度數學模型，結合實測資料對由支流引起的漢江干流溫度變化進行探討。肖婷婷等［15］對電廠溫排水匯入干流水溫影響范圍進行研究，評價了溫排水對干流水體水生態的影響程度。上述學者的研究均基于有支流或熱源匯入的天然河流水溫變化過程而展開，其研究對象天然河流范圍大、流量變化持續時間長，而引入離線水庫溫水匯入干渠范圍小，對于調控時間的要求更短，但當前對于水庫溫水匯入干渠后的水溫摻混特性及對干渠水溫提升效果的相關研究成果還嚴重不足。

離線水庫溫水入渠時，干支渠交匯處及其下游渠道的水力-水溫特性值得探究。干、支渠交匯后受流量摻混比、渠道交匯角等多種因素影響，水流發生相互頂托摻混，使得交匯口附近的流場、水深等水力要素發生變化，如圖1所示，在交匯處將具有十分復雜的三維水流特性。茅澤育等［16］采用理論分析并結合實驗數據提出交匯口上下游水深比的普遍方程，并對于不同因素的影響進行討論。Weber等［17］通過模型實驗，得到了交匯角90°的明渠交匯水流流速分布規律，并在論文中給出詳細實驗數據。魏文禮［18］、周舟［19］等學者利用三維仿真軟件Fluent對90°明渠交匯不同匯流比對于交匯口下游水流特性的影響進行探究。毛頌平等［20］對90°交匯角的等寬明渠交匯口下游污染物擴散特性進行研究，歸納總結出下游污染物擴散規律。上述學者均對干支渠交匯模型的水力、污染物擴散等特性做過相關探究，但針對非等溫水流交匯的水力-溫度摻混特性的研究鮮有文章涉及。

圖1 干支渠交匯流態結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the flow structure of the junction

本文以非等溫的明渠交匯模型作為研究對象，借助于CFD三維仿真軟件Fluent探究了不同摻混比及不同渠道交匯角條件下，交匯口下游渠道內的水力及溫度摻混過程的空間分布特征，分析了非等溫水流交匯后的摻混特性，獲得了水溫摻混均勻程度與摻混比、交匯角的定量關系。研究思路和成果可為利用離線水庫溫水提升干渠水溫以緩解渠道冰情的相關工程提供支持與依據。

1 數學模型

1.1 控制方程

目前常用的紊流模型有雷諾應力模型（RSM）、標準k-ε紊流模型、RNG k-ε模型［21］，由于本文研究明渠交匯口處水力及溫度特性，水體紊動劇烈伴隨漩渦產生，故選用雷諾應力模型（RSM）。該模型通過求解雷諾應力的輸運方程和耗散率方程來閉合雷諾平均Navier-Stokes方程，更嚴格地考慮了流線曲率、渦流和應變率的快速變化的影響，對復雜流動具有更精確的模擬［22］。交匯口水流模擬滿足質量守恒及動量方程，溫度變化滿足能量守恒方程。

（1）質量守恒方程。

（2）動量守恒方程。

（3）能量守恒方程。

式中：上標“'”代表脈動值；上標“—”代表時均值；t為時間，s；p為壓強；x i，xj分別表示i，j方向的笛卡爾坐標；ui為i方向的速度，m/s；ν為運動黏性系數；為溫度，℃；λ為分子熱擴散系數，W/（m·℃）；ρ為密度，kg/m3；Cp為水的比熱，J/（kg·℃）。

雷諾應力模型RSM直接對雷諾應力輸運方程進行求解，拋棄了渦黏性各向同性的假定Lander等［23-25］對方程逐項進行?；?/p>

其中紊動渦黏性系數：

紊動能k方程：

耗散率ε方程：

參照國內外現有水溫模擬研究成果，雷諾應力模型中的模型參數通常取值如表1。

表1 雷諾應力模型中的經驗常數Tab.1 Empirical constants in Reynolds stress model

1.2 自由液面處理

在CFD數值模擬中，液體水與空氣的交界面稱之為自由液面，Fluent軟件中采用體積函數法（VOF）追蹤自由液面。在水氣兩相流中，定義函數αw和αa分別為網格單元中的水和氣的體積分數。每個單元內的水、氣函數滿足下式：

當αw=0時計算網格單元內全為氣相；αa=0時計算網格單元內全為水相；0

2 模型構建與驗證

2.1 模型建立

本文研究對象為不同交匯角及不同摻混比的明渠交匯模型，建立的明渠交匯模型以Weber等［17］于2001年發表的物理實驗文章中的模型為原型，該文章是明渠交匯水流相關研究領域的經典文獻，提供了完整的實驗數據結果，可用于本文所建立仿真模型的水動力學驗證。模型交匯角為90°，如圖1所示，干渠與支渠寬度均為W=0.914 m，長度分別為19.194、9.14 m。渠底部水平，模型的坐標原點為干渠交匯口下游點，X方向為水流方向，Y方向為垂直于水流方向，Z方向為水深方向。

2.2 邊界條件

干支渠的進水口邊界條件均采用均勻速度進口，干渠入流量為Qm=0.043 m3/s，支渠入流量Qt=0.127 m3/s，交匯口下游總流量Qd=0.17 m3/s。交匯口下游出口邊界采用壓力出口，設定下游水位為0.31 m。干支渠的空氣進口均采用壓力進口，相對壓強為0。水與空氣接觸面同樣設置為壓力進口，相對壓強為0，以大氣壓為操作壓力。邊壁設置為無滑移的Wall邊界。時態特征選擇瞬態，時間步長采用自適應設置，仿真計算時間設置為300 s；最大庫朗數設置為2。采用PISO算法來完成時間步長的步進；殘差設置為1×10-6。在本文仿真的交匯口處水流紊動劇烈，網格區域內多為六面體網格，為獲得更高的精度對湍流動能及動量離散格式采用QUICK格式，能量方程采用二階迎風格式。

2.3 網格劃分

計算流體力學（CFD）本質是在劃定區域內對控制方程進行離散，在各網格節點進行代數方向組的迭代求解，最后得到整個計算域的求解結果，由此可見網格劃分對計算結果的準確性及精度具有重要影響。利用ICEM軟件進行網格劃分，仿真模型形狀規則，采用正交結構化六面體網格，相較于非結構化網格，其更容易收斂。為捕捉交匯口處附近復雜流場變化，對網格進行局部加密。開展了網格無關性分析對比不同網格總數下的計算時長、計算結果的差距。以最小網格尺寸的最大流速為參照，計算其他網格尺寸下的最大流速誤差百分比如表2所示。最終從計算準確性和高效性選用X方向網格尺寸為0.05 m，Y方向網格尺寸為0.05 m，Z方向網格尺寸為0.02 m，交匯口處加密網格為0.01 m的網格設置。整體網格尺寸共有節點Node 947 520 個，單元數Elements 1 012 938個，圖2為網格劃分示意圖。網格單元質量的評判標準有很多，如歪斜度、縱橫比等，該模型網格劃分后最大縱橫比為1.83，最小為1.03符合網格質量要求。

表2 不同網格尺寸計算結果Tab.2 Simulation results of different grid sizes

圖2 網格劃分示意圖Fig.2 Meshing diagram

采用標準壁面函數法（Standard Wall Functions）對近壁區域模擬，忽略邊壁的粗糙度影響。網格第一層節點距離壁面的無量綱距離y+的表達式為：

式中：U∞為流體流速；μ為流體的動力黏性系數；y為從邊界層起始點開始沿壁面的距離。

2.4 水動力學驗證

明渠交匯口下游水流特性復雜，為驗證所建立模型的準確性，將仿真結果與實驗結果進行對比。為便于分析，對X、Y坐標以渠道寬度W進行無量綱化，即X*=x/W、Y*=y/W，水面線對比結果如圖3所示。

圖3 水面線對比圖Fig.3 Comparison chart of the water surface line

由圖3可見，模型計算的水面線結果與實驗數據吻合度較高，在交匯口附近水面出現較大波動，這是由于在交匯口處支渠水流匯入后，干渠上游水流受阻，水面線出現壅高現象，流速變緩；在交匯口下游水面線逐漸恢復平緩，這與實際的交匯口水流特性相符，模型計算與實驗結果平均相對誤差為4.83%，說明模型能夠準確捕捉交匯口處的水面波動。

圖4為Y*=0.5處，不同橫斷面測線的流速分布的實驗值與仿真值對比，X*=-1時，由于壅水，流速平緩，模型仿真值與實驗值吻合良好。在交匯口下游處由于水流的摻混作用而出現流態劇烈紊動，仿真值與實驗值在靠近渠道底部處存在一定偏差，平均相對誤差為6.2%，但總體上數值模擬與實驗值較為貼合，精度與準確性得以驗證。

圖4 流速對比圖Fig.4 Comparison chart of the water velocity

3 不同摻混比水力與溫度摻混特性

3.1 工況設置

干支渠交匯后下游渠道內的水力與溫度特性會受摻混比例，交匯角度等多個因素的影響。在中國，北方某大型調水工程冬季運行時，渠道內會出現結冰現象，引入沿線水庫的溫水匯入干渠來緩解渠道冰情是一種可行的方案。根據工程資料建立實際的干支渠交匯模型，其中干渠長1 000 m，寬15 m，高3 m，支渠長500 m，寬10 m，高3 m，分別設置3種摻混比q、3種交匯角θ的工況進行仿真計算，探究交匯水流的水力及溫度摻混特性。網格尺寸劃分情況為X方向網格尺寸為0.5 m，Y方向網格尺寸為0.3 m，Z方向上網格尺寸為0.2 m，交匯口處網格加密尺寸為0.1 m，網格總數量約為100萬。工況設置見表3。

表3 不同摻混比及交匯角工況設置Tab.3 Working conditions with different mixing ratios and junction angles

3.2 縱橫斷面水力特性

圖5給出了不同摻混比工況下近水面的縱斷面流速分布。結合流速云圖及矢量圖可以看出：隨著支渠水流匯入，在交匯口上游由于水流的相互頂托作用而形成壅水，水流流速變緩；在交匯口下游處水流流態產生較大波動，干渠與支渠水流的相互摻混擠壓使得流態紊亂，流線彎曲、流向偏轉，靠近支渠的一端形成帶有低速回流漩渦、形狀上呈現上寬下窄的分離區，使得主干渠水流被壓縮，過流斷面被束窄，在分離區上方形成最大流速區，隨著摻混距離的增加，水流逐漸趨于平順。不同摻混比對交匯口下游流態也將產生重要影響，隨著摻混比的增加，支渠流量進一步增大，主、干渠的水流摻混也更加劇烈，使得流態更為紊亂。摻混比為1∶1時，形成的分離區尺寸最大，干渠水流受到的擠壓變大，導致收縮區流速進一步增大。

圖5 不同摻混比縱向流速分布圖Fig.5 Longitudinal flow rate distribution with different mixing ratios

圖6給出了隨交匯口下游距離增加，不同橫斷面的流速分布圖?？梢钥吹皆谥鲃倕R入干渠的X=50 m斷面，由于底部流速小、近水面處流速大，渠道底部出現逆時針旋轉的二次流。隨著向下游距離的推移，在X=200 m斷面處可以看到大漩渦分解逐漸形成兩個小的漩渦，說明此時漩渦強度減弱，主、干渠的水流逐漸摻混均勻。隨著摻混比的增加，支渠與干渠的流量差距減小，橫斷面的二次流結構也呈現出一定規律，在交匯口下游處斷面渦流現象更加明顯，摻混水流紊動劇烈，二次流程度進一步增強。

圖6 橫斷面流速分布圖Fig.6 Cross-sectional flow velocity distribution

3.3 溫度摻混特性分析

3.3.1 溫度摻混空間特性

在設置的工況中，干渠水溫1 ℃低于支渠水溫4 ℃，支渠相對高溫的水匯入后將影響干渠內水溫分布情況。圖7分別為case1與case3摻混比分別為1∶1和1∶5且交匯角均為90°工況的水溫的三維摻混空間分布特征圖。由圖7可看出支渠水流進入干渠后會在偏向于支渠一側形成高溫區域，并在支渠動能作用下熱量逐漸擴散至對岸，溫度擴散呈現出明顯的三維特征。上層水體的水溫擴散與中、下層橫向水溫擴散范圍基本一致，說明支渠較高溫度的水匯入干渠后在水深方向摻混較為均勻。在X<200 m時，水溫的橫向擴散范圍隨著距離的增加而逐漸擴大，而X>200 m后，水溫的橫向擴散基本范圍基本保持不變。對比兩幅圖可知不同干支渠摻混比將導致支渠水流進入干渠后所形成的溫度摻混特性具有明顯差異，摻混比為1∶1的工況在橫斷面擴散呈現近似“L”形，而摻混比1∶5的工況呈現近似“D”形。

圖7 不同摻混比溫度摻混三維空間分布圖Fig.7 3D distribution map temperature of different mixing ratios

3.3.2 溫度橫向擴散范圍

不同支渠流量水流匯入干渠后，將導致水流之間的頂托、摻混程度不同，進而影響水溫在橫向的擴散范圍。圖8為不同摻混比在Z=1.5 m斷面的水溫橫向擴散分布云圖，顏色深淺表示水溫的大小。可以看出，摻混比為1∶1的工況支渠水流匯入后在橫向上擴散的范圍已接近遠離支渠的一側，在交匯口下游支渠內較高溫的水與干渠內的較低溫的水逐漸摻混，在X=300 m之后能夠看到水溫的橫向擴散出現較大的波動，這是由于摻混比為1∶1時，交匯口下游斷面內產生強度較大的橫向環流，影響著水溫在橫向的摻混情況。摻混比為1∶3的工況的橫向摻混距離略小于摻混比為1∶1工況，這是由于此時干渠流量大于支渠流量，其流速占主導，對于支渠進入的水流具有抵沖作用，使得支渠匯入較高溫度的水擴散到對岸的范圍變窄。

圖8 不同摻混比溫度橫向擴散分布圖Fig.8 Transverse diffusion distribution of temperature with different mixing ratios

3.3.3 溫度摻混均勻特性

支渠水流匯入干渠后，兩種非等溫水流逐漸混合，探究溫度空間范圍內的摻混均勻特性有助于了解其對干渠水溫的提升效果。交匯口下游的水溫受到干支渠流量、溫度的影響，并隨著水流向下游逐漸摻混均勻而發生變化，由前兩節分析可知沿水流方向的混合水溫相比水深方向更能反映支渠溫水匯入后干渠內水溫變化過程，故從模擬結果中提取沿程斷面水溫摻混平均值，圖9為不同摻混比工況沿程斷面平均溫度變化過程線。在Fluent后處理軟件中有質量加權平均（Mass-Weighted Average）和面積加權平均（Area-Weighted Average）兩種求平均值的方法，本文所研究的交匯口下游流態紊亂，溫度在不同斷面間摻混均勻程度不一致，選用質量加權平均方式計算更為精確，表達式如下：

圖9 不同摻混比橫斷面平均溫度變化Fig.9 Average temperature change of cross section with different mixing ratios

式中：t為溫度，℃；A為面積。

由圖9可以看出在支渠水流剛匯入干渠時，支渠高溫水與干渠低溫水摻混程度最為劇烈，干渠內斷面平均溫度迅速上升。隨著水流摻混向下游充分發展，流態逐漸趨于平順，充分混合后斷面水溫逐漸降低，并且在距離支渠匯入500 m后斷面水溫幾乎沿程不變，因此認為支渠水流匯入干渠后在500 m的距離內非等溫的水流能夠充分摻混。其中支渠匯入的流量越大，干渠內水溫提升幅度越大，摻混比為1∶1時，干渠內水流摻混均勻后溫度提升1.25 ℃，摻混比為1∶3時提升0.5 ℃，摻混比為1∶5時提升0.4 ℃?？梢钥闯霎敻芍髁肯嗟葧r，支渠溫水匯入對于干渠水溫提升效果最為明顯，溫度提升值是另外兩組工況的2倍。

圖10為Z=1 m平面內沿程不同橫向測線的水溫變化曲線，橫坐標表示干渠橫向寬度，縱坐標為溫度值。從圖中可以看出，在X=50 m斷面處，支渠溫水匯入后在靠近支渠一側干渠水溫迅速提升，摻混比為1∶1時，干渠內靠近支渠一側水溫接近4 ℃，在橫向范圍內逐漸擴散，與干渠內水流進行溫度摻混；在Y=8 m處出現“拐點”，此時水溫開始逐漸下降，而Y=12 m處水溫值為1 ℃，說明此時支渠內水溫影響橫向的范圍僅至此處。隨著支渠匯入流量的減小，摻混比為1∶3和1∶5工況，支渠水溫橫向擴散到對岸的范圍越來越窄，分別為9 m和7 m。這是因為支渠匯入流量越大，在干渠內形成的分離區尺寸越大，干渠水流斷面束窄，因此支渠溫水橫向擴散范圍更大。在X=400 m斷面處，靠近支渠側的初始水溫為低于X=50 m斷面，這與圖9平均水溫過程線分析結果一致，由于水流的充分摻混，沿程水溫逐漸降低。

圖10 不同摻混比水溫摻混橫向變化Fig.10 Lateral change of water temperature with different mixing ratios

4 不同交匯角水力與溫度摻混特性

如表2列舉的工況分別選取交匯角度θ為30°、60°、90°的矩形明渠交匯模型作為研究對象，探究不同交匯角度下明渠交匯口下游處水力與溫度摻混特性。3種工況的其余參數設置均相同：干支渠的摻混比均為1∶1，干渠水溫為1 ℃，支渠水溫為4 ℃。由3.3節橫斷面沿程水溫變化分析可知，在入流500 m后斷面平均水溫基本不發生變化，故為節約計算成本將干渠長度設定為600 m，其余參數保持不變，與第三章所述模型尺寸一致。

4.1 縱斷面水力特性

圖11為不同交匯角度的縱斷面流速分布圖，可以看到不同交匯角度的支渠水流匯入后再靠近支渠形成的分離區形狀和尺寸有所不同。90°交匯角工況在支渠水流匯入后所形成的分離區長度與寬度都最大，60°交匯角的分離區長度明顯小于90°工況，而30°交匯角的支渠水流入匯后，在靠近支渠側附近幾乎沒有出現分離區。說明隨著交匯角度的減小，干渠與支渠水流的摻混劇烈程度也逐漸降低，所形成的分離區漩渦尺寸逐漸減小，交匯口下游水流能夠更快恢復平穩狀態。

圖11 不同交匯角縱向流速分布圖Fig.11 Longitudinal flow rate distribution with different angles

4.2 溫度摻混特性

4.2.1 溫度摻混空間特性

由4.1節分析可知不同交匯角工況下，干渠內水流流態存在差異，這將對干支渠水流的溫度摻混產生影響。圖12是交匯角分別為90°和30°的溫度摻混三維空間分布圖，兩者存在明顯的差異。90°交匯角工況支渠水流匯入后在干渠側形成高溫區域，在前200 m內水溫在橫斷面的擴散近似“L”型，在200 m后沿程溫度逐漸降低，說明此時干渠與支渠內的水流逐漸摻混均勻。30°交匯角工況同樣在靠近支渠側形成較高溫區域，但對比90°工況，在橫斷面的擴散的范圍和水溫增加幅度都大大減小，支渠水流流入的高溫區域貼近于渠道底部。隨著交匯角度的減小，干渠內水流對于支渠水流的阻礙作用增大，支渠水流深入主流的橫向和縱向距離都逐漸減小。

圖12 不同交匯角溫度摻混三維空間分布圖Fig.12 3D distribution map temperature of different angles

4.2.2 溫度橫向擴散范圍

圖13為在Z=1 m處不同渠道交匯角溫度橫向擴散分布圖，交匯角90°工況與交匯角60°在支渠剛匯入干渠時的橫向擴散范圍接近，而交匯角30°工況橫向擴散范圍則小于前兩種工況。交匯角越小，支渠水流匯入干渠后在靠近支渠側形成的分離區尺寸越小，干渠水流對于支渠水流匯入的阻礙作用越大。對比3種工況還可以發現在交匯角為90°時，在交匯口下游250 m后溫度摻混出現波動，這是由于交匯口下游處存在橫斷面二次環流，影響了水流的溫度摻混，且交匯角越大，二次環流現象越劇烈，溫度摻混波動越大。

圖13 不同交匯角溫度橫向擴散分布圖Fig.13 Transverse diffusion distribution of temperature with different angles

4.2.3 溫度摻混均勻特性

圖14為不同交匯角沿程斷面的平均溫度變化曲線，同樣采用第三章中提到的質量平均方法獲取斷面平均值。由圖可知，3種交匯角工況斷面平均溫度的變化趨勢基本一致，在支渠水流剛匯入干渠時，斷面平均溫度最高，隨著水流逐漸摻混均勻，斷面平均溫度沿程逐漸下降。交匯角為90°工況溫度提升值為1.25 ℃，交匯角為60°工況為1.13 ℃，差值為0.12 ℃，而交匯角為30°工況溫度提升值為0.8 ℃，和90°工況差值為0.45 ℃，這是由于交匯角為30°時，支渠水流對干渠的擠壓作用小于渠道交匯角為60°與90°工況，此時干渠水流占主導，因此支渠水流匯入干渠后水流擴散到對岸的距離變小，故而溫度提升值也小于交匯角為90°時的水溫提升值。說明渠道交匯角對于摻混后的斷面平均溫度具有一定影響，且交匯角越小，摻混均勻后的斷面溫度越小。90°工況與60°工況摻混均勻后溫差較小，考慮到60°工況相較于90°工況時流態更為平順，故在實際工程中可將干支渠交匯角設置為60°，既能滿足溫度摻混效果，也能減小干支渠水流交匯的劇烈紊動。

圖14 不同摻混比橫斷面平均溫度變化Fig.14 Average temperature change of cross section with different angles

圖15為不同交匯角在Z=1 m平面不同橫向測線上的溫度沿水面寬度方向擴散的變化圖。在X=50 m斷面處交匯角為90°與交匯角為60°工況在靠近支渠側的水溫均接近于4 ℃，而交匯角為30°工況水溫為3.1 ℃，沿著水面寬度Y方向，前兩種工況的水溫先保持不變后下降，而交匯角為30°工況溫度先上升后下降。90°工況在橫向寬度上溫度摻混到Y=15 m，而60°工況水溫擴散至Y=12 m，30°工況水溫擴散至Y=9 m處水溫即降為干渠水溫1 ℃，說明隨著交匯角的減小，支渠水溫能夠到達對岸側的距離越來越短，影響干渠的橫向范圍縮窄。在X=400 m斷面處，3種交匯角工況中只有交匯角為90°的工況在對岸測溫度有提升，另外兩個工況水溫摻混僅至Y=12 m處。

圖15 不同交匯角水溫摻混橫向變化Fig.15 Lateral change of water temperature with different angles

5 結 論

通過從離線調蓄水庫中取用溫水來調節冬季調水工程的干渠冰情，以干支渠的交匯處為研究范圍進行三維建模。為分析不同因素對水力-水溫摻混特性的影響，設置了3種摻混比（1∶1、1∶3、1∶5）及3種渠道交匯角（90°、60°、30°）工況進行仿真分析，得出如下結論。

（1）干支渠流量摻混比的大小對交匯口下游水力-水溫摻混特性影響較大。摻混比越大，干渠水流受到擠壓越大，靠近支渠側形成的分離區尺寸越大，同時下游斷面環流強度也越大。但不同摻混比工況，非等溫水流均能在交匯口下游500 m范圍內摻混均勻。摻混比越大，對干渠水溫的改善效果越明顯，在摻混比1∶1工況下，最高提升可達1.25 ℃，在實際工程中建議設置大摻混比工況。

（2）渠道交匯角大小對交匯口下游水力-水溫摻混特性有一定影響。交匯角越大，支渠匯流的偏轉幅度越強，導致回流分離區尺寸越大，橫斷面環流增強，干渠內水流紊動加劇。水流在交匯口下游充分摻混后，90°交匯角工況干渠水溫提升1.25 ℃，60°交匯角工況干渠水溫提升1.13 ℃，兩者相差0.12 ℃，而30°交匯角工況僅提升0.8 ℃，與90度工況相差0.45 ℃。故在實際工程中，建議將渠道交匯角設置為60°，既能維持交匯口下游水流相對平順也能保證較好的干渠溫度提升效果。

本文研究成果可為大范圍一維渠道冰水力建模提供依據，對于溫度三維摻混過程的規律及摻混均勻距離的認識有助于在一維渠道長距離仿真中設置合理的水庫溫水入渠仿真邊界。