不同坡角引水渠道水力特性分析

宋先锋

（德州市农村供水管理处,山东 德州 253014）

0 引言

引水渠道水力特性对输送水效率具有较大的影响，因此，获取最优进/出水口参数，有大量学者进行了相关的研究。高学平等[1]通过多岛遗传算法对侧式进/出水口体型进行优化设计，体型优化后水头损失系数减少3 %以上，不均匀系数小于20%，水力条件明显改善；王晨茜[2]以芝瑞抽水蓄能电站为例，通过数值模拟方法研究竖井式进/出水口的水力条件，通过优化设计后，水力特性改善明显；刘际军等[3]采用数值模拟方法，研究不同布置形式下竖井式进/出水口的水流特性，认为使用锥管扩散可降低水头损失；梅家鹏等[4]以句容抽水蓄能电站通过模型试验研究侧式进出水口水力特性，通过降低出水口高度优化体型，提高了水流扩散性能，水头损失也明显降低；刘际军等[5]通过模型试验认为增大扩散角、降低引渠高程可消除不利环流，明显提高明渠水力特性；顾莉等[6]以琼中抽水蓄能电站为研究对象，通过模型试验，研究各流道分流特性，认为将边隔墩移至起始扩散面，可有效改善水力特性；侯才水等[7]、张晓曦等[8]使用CFD法分别研究不同进/出水口位置及形状对流态的影响和优化设计进/出水口形式，认为采用组合弯管、长倒锥体可明显改善水力特性。在前人研究的基础上，采用数值模拟方法研究渠道坡角对引水渠道水力特性的影响。

1 工程概况及模型建立

某引水渠道总宽7.5 m，共有3 个分流墩，4 个流道，立面单向分流，垂直扩散角为2.6°，平面双向扩散，扩散角34°，扩散段长为36.0 m，渐变段长12.0 m，调整段长14.5 m，防涡梁段长10.0 m，为侧进式体型，平面见图1。根据设计引水渠道建立数值模拟模型。

图1 进/出水口体型平面图

2 数值模拟结果

2.1 死水位下计算结果

死水位工况下，引水渠道出流流量为161.6m3/s，引水渠道雷诺数Re=2.8×107。通过Fluent软件RSM紊流模型计算获取流量分配情况，计算结果见表1，中间孔位垂向流速分布计算结果见图2。从表1可知，流量分配呈对称分布，中间两孔流量较大；从图2可知中孔最大流速大于1.6 m3/s，最大流速位于距离渠底1.0 m～3.0 m范围内，边孔流速变化较小，流速大多集中于0.4 m3/s～0.6 m3/s。

表1 流量分配结果

图2 中间孔位垂向流速分布

2.2 引水渠道不同坡角数值模拟结果

为研究引水渠道不同坡角工况下水力特性的变化情况，在其他参数保证不变的情况下，设计引水渠道坡角分别为0°、1°、2.6°、3°、5°、7°、8°共7种情况，研究水头损失与流量分配以及不均匀系数与引水渠道坡角变化的关系，根据2.1 流量分配计算结果可知，对称体型条件下，1 号与4 号、2 号与3 号计算结果相同，因此可仅研究1 号、2 号出水口。

2.2.1 流速分布

不同渠道坡角流速云图见图3。

图3 流速场分布

根据边孔流速云图可知：当渠道坡角从0°变化至8°的过程中，40 m～60 m范围内流速变化较小，流速分布基本一致，在扩散段进口处，孔口中间部位为主流位置，在45 m～50 m处主流位于两侧分流墩。在25 m处，当引水渠道坡角在0°～4.0°时，主流位于两侧分流墩；当引水渠道坡角在6.0°～8.0°时，主流位于两侧分流墩与顶板的夹角处。在10m处，当引水渠道坡角在0°～4.0°时，流速分布较为均匀；当引水渠道坡角在6.0°～8.0°时，流速分布表现为上部流速大，下部流速小。当引水渠道坡角在0°～4.0°时，无反向流速出现，当引水渠道坡角在6.0°～8.0°时，逐渐在底部出现反向流速区，在10 m处反向流速消失。

根据中孔流速云图可知：当引水渠道坡角从0°～8.0°变化的过程中，主流位于中孔中部，随着渠道坡角的增大，主流逐渐向上移动。当坡角为0°时，主流在顶部发展又逐渐消失，当坡角在2.0°～8.0°时，反向流速区向底部发展并逐渐消失，主要原因是随着渠道坡角的增大，主流上移，抑制顶部流动的分离，促进底部流动分离。

2.2.2 水头损失与流量分配

水头损失与流量分配数值模拟计算结果见表2。由表2可知，边孔流量随着引水渠道坡角的增大呈现先减小后增大的趋势，中孔流量则先增大后减小。边孔流量首先由20.2%逐渐减小，当坡角增大达到垂向扩散角2.6°时，边孔流量所占比例达到最小值19.7%，随后逐渐增大至21.3%；中孔流量所占比例在初期逐渐由29.8%上升至30.3%，又逐渐减小至28.7%。流量分配结果与引水渠道坡角关系曲线见图4。

表2 水头损失与流量分配结果

图4 流量分配结果与引水渠道坡角关系曲线

水头损失系数与引水渠道坡脚的关系：随着引水渠道坡角的增大，水头损失系数由0.351 先减小后增大，当坡角逐渐增大至2.6°时，水头损失系数达到最小值0.347，此时，输送水效率最高，随着坡角的继续增大，水头损失系数又逐渐增大至0.364，输送水效率逐渐降低。水头损失系数与引水渠道坡角关系见图5。

图5 水头损失系数与引水渠道坡角关系曲线

2.2.3 流速不均匀系数

流速不均匀系数计算结果见表3。从表3可知：边孔、中孔流速不均匀系数随着渠道坡角的增大，均表现为先减小后增大的变化趋势。当渠道坡角等于0°时，边孔流速不均匀系数等于1.52，中孔流速不均匀系数为1.78；当渠道坡角增大至等于垂向扩散角2.6°时，边孔、中孔流速不均匀系数降低至最小值，此时边孔、中孔流速不均匀系数分别为1.41和1.72；随后边孔不均匀系数逐渐增大至2.12，中孔不均匀系数增大至2.46。

表3 流速不均匀系数计算结果

3 结论

（1）反向流速区的面积与位置受引水渠道坡角影响较大，边孔反向流速区与渠道坡角关系为：当引水渠道坡角在0°～4.0°时，无反向流速出现；当引水渠道坡角在6.0°～8.0°时，逐渐在底部出现反向流速区。中孔反向流速区与渠道坡角关系为：当坡角为0°时，主流在顶部发展又逐渐消失；当坡角在2.0°～8.0°时，反向流速区向底部发展并逐渐消失。

（2）当引水渠道坡角与垂向扩散角相同时，水力特性较好，此时水头损失系数和流速不均匀系数均较小，中孔流量分配所占比例最大，可为类似工程设计提供参考。