基于MIKE软件的天然河道局部水头损失特性研究

唐英敏，鲍立荣

(1.四川建筑职业技术学院，四川德阳618000；2.通辽市水务局，内蒙古通辽028000)

0 引 言

水头损失形式可以分为沿程水头损失和局部水头损失，河道渐扩段的水头损失主要是局部水头损失，局部水头损失的产生是因为局部边界急剧改变，使得正常流动遭到局部破坏，水流出现剧烈地紊动，以致形成涡流和绕过障碍物等的现象，流体的动量交换加剧，在此过程中水流能量损失，目前，对局部水头损失的研究主要有物理模型试验法和数值模拟法两种方法。

对于局部水头损失的研究，茅泽育等[1]通过试验研究并结合水动力学原理，在分析汇流口水力特性及能量损失机理的基础上，提出了适用于任意角度汇流管路分析计算的局部能量损失系数的普遍表达式；文献[2]中对于局部水头损失的研究是在模型试验的基础上忽略沿程水头损失，根据连续性方程、能量方程以及动量方程得到的一个经验的局部水头损失公式；闫旭峰等[3]运用声学多普勒流速仪测量了渐变河道模型的水流结构，基于SMS水动力学模型对渐变河道水流特性进行了二维数值模拟，与实测值吻合较好，并计算分析了局部水头损失系数沿程的变化规律；吴长文[4]研究高含沙水流在明槽突扩段中的局部阻力时，发现高含沙水流的局部阻力要远大于相应流速的清水局部阻力；张志昌等[5]对明渠水跃段沿程水头损失和局部水头损失进行了研究，分析了水跃段总水头与水跃区总水头比值、相对沿程水头损失、相对局部水头损失、局部阻力系数与弗劳德数关系；胡江等[6]通过PIV研究了光滑明渠的紊流水流结构，得到了试验结果，并能较好地符合前人的研究成果；王协康[7- 8]等通过水槽试验，研究了入汇角为30°的支流斜接主流入汇型河道的三维水流结构，结果表明交汇区水流有水流分离区、高流速带、低流速带、剪切面等特征，且进一步分析了水流分离区的特征，发现水流分离区几何尺度随着水深及流量比的变化而变化，并受二次流对流速分布的影响。对于河道渐扩段的设计，以往一般是根据经验，对渐扩段局部水头损失没有加以考虑，导致计算耗时过长且计算精度较低，因此本文引入MIKE软件对渐扩型河道的水流结构特性以及局部水头损失进行分析。

1 基本理论

本文采用DHI MIKE21软件的水动力(HD)模块进行模拟，水动力模型的控制方程有：

质量守恒方程

x方向动量方程

y方向动量方程

式中，ζ为表面水位，m；t为时间，s；p、q为沿x和y方向的通量密度，m3/sm；d为水位随时间变化量，m；h为水深，m；C为谢才系数，m1/2；ρw为水的密度，kg/m3；τxx、τxy为有效切应力分量，N/m2；f为风摩擦系数，无量纲；V、Vx为风速及在分方向的速度，m/s；Ω为科氏系数，s-1。

本文是在清水定床工况下模拟30、45、60、75、90 m3/s5种不同流量情况下渐扩段局部水头损失的变化规律。河道底坡为0.48%，糙率0.015，上游入口条件为流量，即取上游恒定水流条件，下游出口条件取为稳定水深水流条件，计算中固壁按定边界条件处理。采用交替格式隐式算法(ADI)计算，用这种交替方向隐式迭代法对动量方程、质量方程等进行迭代求解方程组。然后利用双精度扫描法(DOUBLE SWEEP)对其每个方向及单独网格线上产生的数学矩阵进行求解。计算中划分的三角网格数为2 112个，网格节点数为1 134个，网格平均面积为0.8 cm2。

2 模型建立

本文计算实例由明渠段、渐扩段、明渠段组成，上游为10 m×4 m矩形明渠，长100 m，下游为16 m×4 m矩形明渠，长70 m，中间渐扩段长10 m，计算示意如图1。

图1 河道断面计算示意

其中2- 2断面～3- 3断面间为渐变段，由于从上游矩形明渠过度到下游矩形明渠过程中，不仅会产生沿程水头损失，还会受到局部水头损失的影响，因此为较为准确计算渐变段水面线变化规律，需将此10 m长断面划分为一段段的河段，且划分越细最终水面线计算结果越精确，本文在渐变段中选取20个断面。其中，每两个断面间仍有5个断面。

3 计算结果与分析

3.1 流场分析

根据DHI MIKE21软件的水动力(HD)模块进行模拟，计算得到几种不同流量下渐扩段流场图，以流量90 m3/s为例，见图2。

从图2可知：①在从上游明渠段进入渐扩段时均发生水位突降现象，且流量越大突降越厉害，因此局部水头损失就发生在此部位；②流量越大，在渐扩段流速扩散影响的范围越大，且流量越大，水流经过渐扩段后水位要经过很长一段时间才能达到平衡；③不管是从上游明渠到渐扩段还是从渐扩段到下游明渠段的转折点部分流速均很大，且流速方向不规律，这是因为在从明渠到扩散段过程中流速发生重分布现象，壁面流速还未适应断面的变化因此呈不规律现象分布。

图2 90 m3/s流量下渐扩段流速矢量分布(单位：m/s)

根据文献[2]经验公式计算渐扩段沿程水面线变化趋势，与数值模拟计算值进行对比，沿渐扩段选取20个断面。

3.2 水位变化

利用MIKE软件进行计算，结果与用文献[2]经验公式计算结果进行对比，以90 m3/s流量为例，水位变化对比如图3所示。

图3 Q=90 m3/s时水位变化计算值与模拟值对比

从图3可以看出：①流量越大，MIKE模拟值与经验公式计算值相差越小，这是因为随着流量的增大，断面速度分布的不均匀性逐渐减小；②虽然各个流量下模拟值与计算值有差别，但总体上来说二者符合较好，说明利用MIKE软件进行模拟水头损失是可行的合理的。

3.3 水头差对比

渐扩段开始段和结束段水头差模拟值与计算值的对比如图4所示。

图4 计算与模拟水头差对比

由图4可知：①计算值与模拟值在渐扩段开始和结束段水头差很接近，说明MIKE模拟渐扩段水头差是合理的；②流量越大，水头差越大，这个规律不管是经验值还是模拟值都是适用的，这是因为流量越大，在从上游明渠段经过渐扩段时，对渐扩段两边墙的冲击越大，水位下降越快，这与前面3.1节流场分布得出的结论相一致。

4 结 论

(1)本文利用二维水动力数学模型，考虑不同上游来流情况，对河道渐扩段进行了分流数值模拟，得到分流口处局部水头损失随流量增加而增大的结论。

(2)对比分析了河段渐扩段在MIKE软件和经验公式下的计算成果，结果表明，MIKE软件模拟水头损失是合理可靠的，且MIKE软件进行模拟可以大大减小计算的难度和复杂程度，经验公式计算此次10 m长断面试算水面线需要的时间远远大于模拟时间，如果应用于天然河道，MIKE软件将大大提高分析效率。

(3)建议进一步开展相关研究，加强实测资料的收集，考虑泥沙问题对结果的影响，以满足多沙河流河道、水库工程运用中解决问题的需要。