灌区明渠过渡段平面大扩散角水力特性分析研究

刘华利

(塔里木河流域干流管理局， 新疆 库尔勒 841000)

水利工程领域，明渠过渡段是各类水工建筑结构中重要组成部分，例如对泵站输水池或水电站的尾水泄洪等，明渠渗流稳定性会在一定程度上影响工程安全运营，研究过渡段水力特性对提升水工建筑物结构渗流安全认识具有重要作用[1- 4]。作为重要控导措施，布设翼角等结构，是缓和过渡段水力冲蚀的重要措施，针对控导措施下流场安全稳定性，已有一些水利工程师通过室内物理模型试验开展应用研究，模型主要针对泵站进水池与水电站[5- 8]。另外数值模拟方法是流场特征参数计算重要手段，通过借助数值几何模型，构建过渡段运营工况，分析流场内紊流状态[9- 12]，提出不同控向导流措施，为水工建筑结构的安全运营提供重要的设计参考。

1 计算理论

在农业灌区中，明渠水流运动连续性方程服从下式[13- 14]

(1)

结合数学微积分理论，得到散度表达式为

(2)

当流体介质压缩自由度被约束，则散度方程可简化为

(3)

式(1)～(3)中，u、v、w—流速分量；Sm—试验有关的参数项。

流体运动过程中亦服从以下公式：

(4)

式中，Fx、Fy、Fz—各方向上的体力分量；p—压力；τij—粘性力分量。

联立标准N- S方程，获得散度表达式的N- S方程为

(5)

式中，grad—梯度函数；Su、Sv、Sw—试验有关的常数项。

利用流体N- S方程，获得紊流脉动关系，即湍动能与耗散率之间有如下关系：

(6)

(7)

另一方面，湍流模型是计算流体运动过程中涡旋状态参数的最佳工具，因而，本文在上述连续性运动守恒方程基础上，以双方程模型表述湍动能状态，其表达式为：

(8)

(9)

其求解依照紊流动粘度系数及Prandtl参数，方程求解为

(10)

(11)

式中有

(12)

(13)

式(10)—(13)中，σk、σε、C1ε、C2ε、C3ε—试验常数参数；η—动量参数常数项；Gk、Gb—流场湍动能；μeff—有效粘度系数；Sk、Sε—与k、ε流场参数有关的常数项；αk、αε—Prandtl参数。

针对自由表平面，由于本文研究对象为明渠入口处水力特性，因而，边界条件采用质量流方程，其参数计算采用下式：

(14)

式中，I—紊流强度；Re—雷诺数，u、与前述式子一致。

(15)

上述理论为流体力学计算方法，由于本文采用有限元离散方法迭代求解，以动量参数为例，给出有限元动量离散方程为

(16)

将上述求解的流速与压力等流场特征参数进行修订，得到：

(17)

式中，ue、vn—修正后流速与压力值。

基于上述计算理论方法，本文以速度-压力场耦合计算手段，在FLUENT软件中进行明渠过渡段平面大扩散角水力特性计算分析。

2 工程概况

某灌区规划建设东西长度约为35km，可实现灌溉面积160万亩，灌区内干渠设计长度为18km，共有14条支渠，每条渠道均以格宾石笼的透固体物布设防渗结构，减弱渠道长距离运输过程中水资源浪费影响，灌区内水资源主要来自于地下水与地表水，其中又以地表水资源占比最高，达65%。为了更好节省水资源，在明渠设计修建时，考虑修建一条尾水渠过渡至地势较低的河漫滩，开挖长度为1km，深度约5～6m，设计以0.65坡度作为流水壁面，两侧防渗堤身均按照重力式混凝土大坝建设防渗墙的措施，堤面均布设止水面板等结构，提升灌区内水资源在下游农业灌溉效率。由于尾渠修建涉及到渠道或衬砌结构稳定性，泄流槽渗流场分布，甚至由于地势较高，加设的消力池水利设施亦会在一定程度上影响明渠水力特性，因而本文取明渠过渡段上下游各一部分，再结合30°扩散角区段上边翼特征点，即平面区域内大扩散段，当扩散角30°时无法体现整体明渠水力特性，因而将单侧扩散角增加至60°，即为本文研究对象。

研究对象所在区域内属灌区地势由高至低的中间地带，由于支渠为借助地表河流开挖形成，因而该场地实质上主要为河流冲积阶地，表面覆盖有种植土，主要为农业生产用地，因而该部分土层中厚度较薄，最厚处仅为2.5m，含水量适中，主要为人工新进堆积土层；下卧土层中还分布有粉质壤土，夹有砾石碎屑，粒径在2～8mm，密实性较差，储存水资源较困难，在施工修建明渠前，应考虑进行夯实处理；除此之外，在基岩上覆盖层中还分布有细砂土，厚度约为3.7～6.8m，密实性较好，级配良好，下游的消力池地基基础可考虑采用该土层；基岩层包括有白云质灰岩与砂砾石，其中白云质灰岩分布较为广泛，根据取出样品可看出，砂砾石破碎性显著，强度较低，已达到强风化作用，分析砂砾石沉积是由于长期以往的风力等物理搬运作用在此区域内堆积形成，灰岩钻孔取出样品显示完整性较好，表面无显著孔隙，强度较高。在此工程资料基础上，以ANSYS建立明渠过渡段研究体的几何模型，如图1所示，相关边界参数以及岩土参数均以室内试验为依据。

图1 明渠过渡段几何模型

3 平面大扩散角水力特性

3.1 建模及研究工况

针对于明渠过渡段平面区域的大扩散翼角水力特性，分别设置有、无控向导流设施，本文所构建模型如图2所示，由于明渠过渡段处壁面接触处于耦合状态，因而划分网格单元时，以混合式网格单元体模型进行表示，最大网格单元设定为40mm，共获得网格数294120，节点数243638。边界条件主要分为进、入口，壁面，自由表平面，其中进、入口边界条件按照前文所述相关计算理论，获得湍流等外参数，壁面接触条件设定为无滑移式固定壁。

图2 过渡段扩散角数值模型

研究工况分为有、无控向导流设施，其中无控向导流研究中分为低-中-高三个流量强度，有控向导流措施中以50L/s流量为对比组，其他外参数均一致。

3.2 无控向导流设施

由于明渠过渡段上流层分布较多，特征流层取迭代步长为T=6000step，水深为0.12m，分别获得三个流量工况下流场特征云图，如图3所示。从整体来看，三个流量工况下的无控向导流明渠设施均出现了回流现象，且回流区域主要集中在Y负向，长度约有8m，Y正向流速分布最低，流量40L/s下，主流流速约为0.35～0.6m/s。随着无控向导流设施中过渠流量增大，仍然存在显著回流，且回流区域仍维持在Y负向，且长度有所增加，流量50L/s时回流区长度约为9m，而30L/s下回流区仅6m；另一方面，回流强度亦有所增加，流量50L/s时回流区最大流速值是30L/s的3.25倍。即无控向导流设施特征断面中在各过渠流量下均存在回流区，当流量值增大时，回流区强度与回流区占流场比重愈多，相应的在回流区主流挤压作用愈强。

图3 流场特征云图

针对扩散角区域流场特征，给出大扩散角与过渡段连接区域压力场云图，如图4所示。从图4中可看出，三个流量工况下压力强度均呈由渠道外侧逐渐增大至末端，其中发生重要转变点即是在连接点区域处。在小流量工况下，衔接点区域压力强度呈外侧窄断面缓步增大至宽断面，过渡段递增的层次效应显著；随过渠流量增大，窄断面的较小压力强度逐渐蔓延至宽断面内，且在转角处出现有逆压力场，即在流量40、50L/s出现有600Pa的压力分布。分析表明，由于过渡段衔接区域收到翼角约束影响，整体上随过水断面的突变型，压力场分布逐渐变大，但当处于高过渠流量时，主流的高强度会挤压主要流线，而在一些转角区域上由于过度效应，反而会出现较小压力场，即逆压力分布。

图4 压力场云图

将明渠过渡段区域进行流速切片分析，获得如图5所示切片后流速结果云图。从图5中可看出，三个流量工况下明渠过渡段12个切片断面上的流速分布整体上呈随X向先陡降后缓增的变化趋势，另在高流量强度下，流速整体水平较高。50L/s流量下第3个切片断面上最大流速值为0.68m/s，相比流量30、40L/s分别增大了172%、94.3%。从流速分布形态来看，当处于小流量强度时，流速主线在X向前端偏移程度较高，但在X向末端偏移并不显著；大流量强度下的流速主线在流场内便宜程度与小流量强度下相反，X向前端多，末端较弱；在X向中间流段内，流速矢量线偏移程度与流量强度呈正相关，越大的流量强度，偏移程度越高。

为更好分析不同流量下主流速偏移程度，给出各断面上的流体动量不均匀度参数变化曲线，如图6所示。从图6可看出，动量不均匀度参数整体上与切片流速变化规律一致，均呈先陡降后缓升至稳定状态，低流量强度下的动量不均匀度值高于高流量强度，即低过渠流量下流场稳定性更较好。动量不均匀度值陡降均集中在前两个切片断面，30、40、50L/s流量强度下降低幅度分别为6.1%、6.9%、7.6%，上升趋势均集中在第6个切片断面处，在该切片断面后，逐渐上升至不均匀度稳定状态，即流体运动的剧变性逐渐减弱，流场趋于稳定。

3.3 有控向导流设施

为对比有、无控向导流设施下明渠过渡段流场特性，给出如图7所示流场对比云图。从图7中可看出，加设有控向导流的翼角后，回流区域明显较少，回流长度由无控向导流下的9m减少至5m，且有控向导流下流速分布趋于对称状态，Y向两侧在翼角分流作用下，沿着壁面向下游运动，主流速受回流影响显著减弱，横向上分布的流速结构整体形态高于无控向导流设施下。

有控向导流设施下Y=0剖面上流速分布云图如图8所示，该剖面上X向流速最高值出现在翼角设施区域，分析是由于泄流时对翼角的冲击作用，导致该区域流速较大，但在过翼角后，流速显著降低，且逐步处于均匀状态，稳定在0.9m/s左右；Z方向流速整体过度较为平缓，无显著涡流回旋特征。从流速矢量图可看出，翼角上游区域涡旋特征显著，流速过大，分布在翼角前端，当过翼角后，涡旋动能下降，流速回旋逐渐减弱，由此可见，在设置翼角控向导流后，明渠过渡段流速分布逐渐从涡旋流运动逐渐变缓为稳定流，流场稳定性大大增强。

有、无控向导流设施下动量不均匀度值比较曲线如图9所示，从图9曲线变化形态来看，增加翼角控向导流后，不均匀度值水平整体升高，虽各切片断面上变化趋势仍与无控向导流下一致，但稳定性大大提升，在第6个切片断面处，无控向导流设施的动量不均匀度值为0.866，设翼角后增加了3.4%，达0.898。综上表明，明渠过渡段大扩散角区域，以翼角控向导流有助于提升流场稳定性，加墙明渠过流安全性，提升明渠运营寿命。

图5 明渠过渡段切片后流速云图

图6 动量不均匀度参数变化曲线

4 结论

针对明渠过渡段扩散角水力特性问题，引入流场分析计算理论，研究了有、无控控向导流设施下明渠过渡段水力特性，得到如下结论：

(1)无控向导流设施下各过渠流量下均存在回流区，回流区强度与流场中占比均随流量强度增大而提高，回流区域集中在Y负向，流量40L/s时回流区长度8m，流量50L/s时回流区最大流速值是30L/s的3.25倍；压力强度由渠道外侧逐渐增大至末端，高过渠流量时在转角衔接区域会出现逆压力分布。

图7 有、无控向导流流场特征对比

图8 有控向导流设施明渠过渡段流速云图

图9 有、无控向导流设施不均匀度对比

(2)无控向导流设施下断面流速随X向先陡降后缓增，高流量强度下，流速整体水平较高，且流速矢量偏移在X向前端偏移更多，末端较弱，低流量强度下与之相反；动量不均匀度值呈先陡降后缓升至稳定状态，该参数在低流量强度下高于高流量强度，低过渠流量下流场稳定性更好。

(3)有、无控向导流设施水力特性计算对比，有控向导流设施时主流速受回流影响减弱，在翼角控向导流后，流场涡旋动能下降，回旋减弱，不均匀度值水平整体升高，第6个切片断面的不均匀度值相比无控向导流设施时增加了3.4%，流场稳定性增强。