趙 丹

(撫順縣水利水電工程移民局，遼寧 撫順 113118)

由于彎道水流存在波浪、螺旋翻滾和水面橫向坡等特殊特征逐步變成研究水建筑物合理布置、防淤治沙和河床演變等目標(biāo)的重要先決條件[2]。尋得一種結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉和施工快捷的工程措施顯得十分重要[2]。王艷梅[3]發(fā)現(xiàn)了一種設(shè)計簡單、施工方便的“彎道水流調(diào)整池”，能夠有效地改善彎道水流流態(tài)；趙德亮[4]運用三維流場數(shù)值模擬模擬了攔河閘引水口彎道湍流分離流動，證明該模型能夠良好的模擬強曲率下湍流的分離現(xiàn)象；張應(yīng)亮[5]等通過分析分流墩與消力池聯(lián)合應(yīng)用消能效果，模擬了彎道流速的分布及液面形態(tài)的變化。本文通過對彎角彎道90°不同縱坡角下水流流態(tài)改善能力隨著深度、長度變化情況進行了研究，為工程實際應(yīng)用提供了設(shè)計依據(jù)。

1 彎道調(diào)整池流態(tài)模擬

1.1 離散方程求解算法

控制方程離散后需要根據(jù)特定的方法對其進行計算，常用的求解方法包括PISO算法、SIMPLEC算法和SIMPLE算法[6- 7]。PISO算法基于壓力速度校正的近似關(guān)系，執(zhí)行偏斜校正、相鄰校正與臨近校正計算，經(jīng)過若干循環(huán)，得到滿足動量方程和質(zhì)量守恒的校正速度。SIMPLE算法以交錯網(wǎng)格技術(shù)為基礎(chǔ)，以“預(yù)測—修正”為核心思想，經(jīng)過持續(xù)的修正、迭代，得到速度和壓強的初解，再通過修正目標(biāo)得到滿足質(zhì)量守恒方程的精確解。本文采用SIMPLE算法進行求解。

1.2 自由液面評價高度

根據(jù)水面波動設(shè)計一個定量分析值稱作自由液面評價高度，采用增加縮放系數(shù)來控制水面評價高度[8- 9]。表達(dá)公式如下：

(1)

式中，Xi—監(jiān)測面水面線的最高與最低位置的差值；i—斷面；m—彎道部分?jǐn)嗝鏀?shù)；n-m—直道部分?jǐn)嗝鏀?shù)。

2 彎道水流調(diào)整池參數(shù)變動對流態(tài)的影響及分析

本文研究了彎角彎道90°水流調(diào)整池流態(tài)改善能力隨著深度、參數(shù)變化情況，如圖1所示。流態(tài)改善能力選擇自由液面評價高度L與其波動情況作為評價標(biāo)尺，觀察不同參數(shù)下調(diào)整池后彎道左右邊界與中央水面線情況[10]。彎道調(diào)整池的消能能力根據(jù)彎道出口斷面7、進池平面斷面1與出池平面斷面2的平均水頭進行判斷，根據(jù)該模型調(diào)整池的相關(guān)數(shù)據(jù)分析彎道水流調(diào)整池流態(tài)改善的規(guī)律性。

2.1 縱坡角為1°情況下參數(shù)變動結(jié)果

2.1.1 深度參數(shù)變動結(jié)果

圖2給出了當(dāng)縱坡角為1°時，深度參數(shù)變動調(diào)整池后中央及左右岸邊水面線情況。

圖1 彎道模型示意圖

對比圖2(a)～(d)中可以看出，縱坡腳較小的彎道，設(shè)置有調(diào)整池的直道水流相比未設(shè)置調(diào)整池的直道水流波動更加平穩(wěn)，并且隨著調(diào)整池深度的增加，直道水流的波動變化更加穩(wěn)定；設(shè)置有調(diào)整池的彎道最高水深相比未設(shè)置調(diào)整池的彎道最高水深更高，高深度調(diào)整池的最大彎道高度也高于低深度的彎道最大調(diào)整池，具有較好的工程實用性。

表1為縱坡角1°、彎道彎角90°下彎道調(diào)整池深度參數(shù)變化相關(guān)數(shù)據(jù)。

由表1可以看出，自由液面評價高度只有調(diào)整池深度為5cm時相對較大，而隨著調(diào)整池深度的增加沒有良好改善，同時調(diào)整池深度較深的情況下出現(xiàn)了自由液面評價高度升高的情況。斷面7切向流速隨著調(diào)整池深度的增大急速增大，并且遠(yuǎn)大于未設(shè)置調(diào)整池的切向速度，調(diào)整池的消能能力隨著深度的改變沒有得到改善。因此，本文認(rèn)為縱坡角為1°彎道調(diào)整池深度不宜過高，設(shè)置5cm左右能夠良好改善水面坡降。

表1 縱坡角1°、彎道彎角90°下彎道調(diào)整池深度參數(shù)變化相關(guān)數(shù)據(jù)

圖2 縱坡角1°深度參數(shù)變動調(diào)整池后中央及左右岸邊水面線情況

2.1.2 長度參數(shù)變動結(jié)果

圖3給出了當(dāng)縱坡角為1°時，長度參數(shù)變動調(diào)整池后中央及左右岸邊水面線情況。

對比圖3(a)～(d)中可以看出，縱坡角為1°彎道彎角為90°調(diào)整池長度為20cm時，其彎道水面線改善情況并不明顯，接近于未設(shè)置調(diào)整池時的情況，而其彎道波動隨著調(diào)整池長度的增加顯著增強。通過對比中央水平面有無調(diào)整池的情況發(fā)現(xiàn)，其波動隨著調(diào)整池長度的增加變得越來越明顯。

表2為縱坡角1°、彎道彎角90°下彎道調(diào)整池長度變化相關(guān)數(shù)據(jù)。

由表2可以看出，與相比未設(shè)置調(diào)整池的情況相比設(shè)置不同長度的彎道調(diào)整池都存在較大的改善，其中斷面1高度水頭、斷面2高度水頭和自由液面評價高度大幅度降低，斷面1速度水頭和斷面2速度水頭小幅度的增加，斷面1總水頭和斷面2總水頭無明顯增加。水頭損失情況并無明顯規(guī)律，而整體趨勢隨著長度增加而增大，隨著深度的改變調(diào)整池的消能情況沒有得到改善，結(jié)合實際工程施工的需要，本文認(rèn)為該彎道調(diào)整池長度選擇20cm最佳。

表2 縱坡角1°、彎道彎角90°下彎道調(diào)整池長度變化相關(guān)數(shù)據(jù)

2.2 縱坡角為3°情況下參數(shù)變動結(jié)果

2.2.1 深度參數(shù)變動結(jié)果

圖4給出了當(dāng)縱坡角為3°時，深度參數(shù)變動調(diào)整池后中央及左右岸邊水面線情況。

圖3 縱坡角1°長度參數(shù)變動調(diào)整池后中央及左右岸邊水面線情況

對比圖4(a)～(d)中可以看出，設(shè)置有調(diào)整池的直道水流相比未設(shè)置調(diào)整池的直道水流波動更加平穩(wěn)，調(diào)整池深度調(diào)整5cm時直道部分的水面波動具有明顯改善，但是這種改善隨著深度的增加并不持續(xù)變大，這一點與縱坡角1°、彎道彎角90°的情況相同，而與縱坡角1°的情況相比，調(diào)整池的深度設(shè)置較小也能夠使彎道水面線產(chǎn)生明顯的水面線波動。

表3為縱坡角3°、彎道彎角90°下彎道調(diào)整池深度參數(shù)變化相關(guān)數(shù)據(jù)。

由表3可以看出，相比于未設(shè)置調(diào)整池的自由液面評價高度，調(diào)整池深度為5cm和10cm時情況改善顯著，調(diào)整池深度為15cm時無較大的改觀，斷面1高度水頭和斷面2高度水頭隨著調(diào)整池深度的增加而增長，斷面1速度水頭與斷面2速度水頭隨著調(diào)整池深度的增加而整體降低，斷面1總水頭和斷面2總水頭略微減小。結(jié)合水面線情況，本文認(rèn)為縱坡角3°彎道彎角90°情況下，應(yīng)當(dāng)選擇調(diào)整池深度為10cm。

表3 縱坡角3°、彎道彎角90°下彎道調(diào)整池深度參數(shù)變化相關(guān)數(shù)據(jù)

圖4 縱坡角3°深度參數(shù)變動調(diào)整池后中央及左右岸邊水面線情況

2.2.2 長度參數(shù)變動結(jié)果

圖5給出了當(dāng)縱坡角為3°時，長度參數(shù)變動調(diào)整池后中央及左右岸邊水面線情況。

對比圖5(a)～(d)中可以看出，直道中的改善情況在調(diào)整池池深設(shè)置40～60cm明顯優(yōu)于調(diào)整池池深設(shè)置20cm。

表4為縱坡角3°、彎道彎角90°下彎道調(diào)整池長度變化相關(guān)數(shù)據(jù)。

由表4可以看出，自由液面評價高度隨著調(diào)整長度的增加而顯著下降，并且當(dāng)調(diào)整長度達(dá)到60cm時，斷面7的切向速度存在相當(dāng)水平的降低，結(jié)合觀察到的水面線情況，綜合認(rèn)為縱坡角3°、彎道彎角90°的較佳長度為60cm。但是相比于未設(shè)置調(diào)整池的情況而言，調(diào)整池的消能表現(xiàn)并不理想。

表4 縱坡角3°、彎道彎角90°下彎道調(diào)整池長度變化相關(guān)數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

按照相關(guān)彎道調(diào)整池流態(tài)模擬方法，選擇自由液面評價高度L與其波動情況作為評價標(biāo)尺，研究彎角彎道90°不同縱坡角下水流調(diào)整池流態(tài)改善能力隨著深度、參數(shù)變化情況。

圖5 縱坡角3°長度參數(shù)變動調(diào)整池后中央及左右岸邊水面線情況

(1)設(shè)置有調(diào)整池的直道水流相比未設(shè)置調(diào)整池的直道水流波動更加平穩(wěn)，設(shè)置有調(diào)整池的彎道最高水深相比未設(shè)置調(diào)整池的彎道最高水深更高。

(2)彎道波動隨著調(diào)整池長度的增加顯著增強，該彎道調(diào)整池長度選擇20cm最佳。

(3)調(diào)整池的深度設(shè)置較小也能夠使彎道水面線產(chǎn)生明顯的水面線波動，并且認(rèn)為縱坡角3°彎道彎角90°情況下，應(yīng)當(dāng)選擇調(diào)整池深度為10cm。

(4)調(diào)整長度為60cm時，斷面7的切向速度存在相當(dāng)水平的降低，因此認(rèn)為縱坡角3°、彎道彎角90°的最佳長度為60cm。

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