白向華

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，江西 南昌 330200)

根據(jù)2018年水利部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)灌區(qū)覆蓋面積已達(dá)0.678億hm2，面積位居世界第一。農(nóng)業(yè)用水是我國(guó)水資源利用的主要去向，我國(guó)每年使用的水資源量，超過(guò)2/3的部分被用于農(nóng)業(yè)灌溉。為了合理利用水資源，大大小小的灌區(qū)配套工程逐步建設(shè)完善，其中最重要的部分就是渠道工程。渠道的建設(shè)可以保證水流到達(dá)各種類(lèi)型的灌區(qū)。為了研究水流流經(jīng)渠道，尤其是彎道處的水力特性，研究灌區(qū)水渠彎道處水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有相當(dāng)重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)踐價(jià)值。考慮到以往研究均從一維或者二維角度出發(fā)，未能從三維的全面立體角度進(jìn)行深入研究，因此，本文以FLUENT模型為基礎(chǔ)，建立灌區(qū)水渠彎道處水流三維數(shù)值模型，以探究其水力特性。希望通過(guò)本研究，為農(nóng)田水利工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)工作助力。

1 模型建立

1.1 工程概況

本文選取的灌區(qū)地處我國(guó)江西省中部，南面臨近贛江。灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積32.27萬(wàn)hm2。多年平均降水量為958mm，其中超過(guò)75%以上的降水量發(fā)生在5—9月(汛期)。

研究選取的灌區(qū)水渠彎道段長(zhǎng)度為64m，設(shè)計(jì)底寬為6m，渠道深度為5.5m，邊坡比降0.2‰，邊坡系數(shù)在1.5～1.75之間，渠道橫斷面為近似等腰梯形。轉(zhuǎn)彎角度為60°，轉(zhuǎn)彎半徑在38.2～78.6m之間。

1.2 數(shù)學(xué)模型

本次模擬采用的模型為FLUENT，F(xiàn)LUENT模型的控制方程主要為流體力學(xué)中經(jīng)典的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒3大方程。在彎道時(shí)，還應(yīng)考慮水流的脈動(dòng)影響，故還應(yīng)考慮紊流模型，4個(gè)模型的表達(dá)式分別如下。

質(zhì)量守恒：

(1)

式中，ρ—密度，對(duì)于水流而言，可以近似當(dāng)作不可壓縮的流體，因此其密度不變；u，v，w—x，y，z3個(gè)方向的水流速度分量。

動(dòng)量守恒：

(2)

式中，F(xiàn)i—單元體積流體微粒的質(zhì)量力；Pi—單元面積流體微粒的壓力。

能量方程：

(3)

式中，φ，Γ，S—通用變量，擴(kuò)散系數(shù)和源相。

紊流模型：

(4)

式中，Gk，Gb—湍動(dòng)能引起的量；YM—可壓縮流體的脈動(dòng)。

1.3 計(jì)算設(shè)置

FLUENT模型在水流三維模擬中最為關(guān)鍵的步驟就是網(wǎng)格劃分，模型中網(wǎng)格基本形式為非結(jié)構(gòu)四面體。網(wǎng)格的疏密將會(huì)直接影響模擬結(jié)果的質(zhì)量，若網(wǎng)格密度太小，會(huì)影響模擬的精度，若密度太大，則會(huì)造成計(jì)算時(shí)長(zhǎng)指數(shù)倍增加，而不利于提高研究效率。研究在兼顧模擬效果和保證模擬精度的情況下，模擬在自由水面局部適當(dāng)?shù)丶哟缶W(wǎng)格密度。共設(shè)置63337個(gè)節(jié)點(diǎn)，336128個(gè)單元四面體。模型橫斷面近似等腰梯形，設(shè)置水流以自由出流的方式進(jìn)出上下游邊界。渠道兩岸邊界條件設(shè)為壁面。因渠道襯砌多采用混凝土材料，因此設(shè)定其當(dāng)量粗糙度為1.8mm。

2 結(jié)果分析

2.1 縱向水面線(xiàn)分析

對(duì)于明渠水流而言，根據(jù)水力學(xué)中彎道水流的特性可知，水流在經(jīng)過(guò)彎道時(shí)，由于慣性力和離心力的相互作用，水流會(huì)和水面表層的氣體發(fā)生摻混現(xiàn)象，通過(guò)建立模型可以得到彎道處水流的水和氣兩相的空間分布情況，如圖1所示。

圖1 彎道處的水氣兩相分布圖

圖2 不同流量條件下兩岸水面線(xiàn)圖(縱向)

圖2中，橫坐標(biāo)表示渠道的長(zhǎng)度，本次模擬渠道長(zhǎng)度為65m，縱坐標(biāo)表示水位。從凹岸的縱向自由水面線(xiàn)可知，流量為20、30、40m3/s對(duì)應(yīng)的水位表現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)，均為先升高到一定的閾值高度之后轉(zhuǎn)而降低，3種工況下水位的最高點(diǎn)均出現(xiàn)在33m的位置。相應(yīng)地，凸岸的縱向自由水面線(xiàn)在一致的流量情況下，水位均呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，同樣地，在33m位置達(dá)到水位達(dá)到最低值。

圖3 彎道處的水面圖

結(jié)合凹岸和凸岸的水面線(xiàn)變化情況可知，當(dāng)水流經(jīng)過(guò)彎道時(shí)，其水面并非平面，也非平滑過(guò)度曲面，而是一個(gè)相對(duì)扭曲的曲面，如圖3所示。該曲面在剛進(jìn)入彎道時(shí)，凹凸兩岸的水面高差相似，在彎道在33m的位置，水面高差達(dá)到最大(凹岸最高，凸岸最低)，之后高差逐漸減少，回歸到初始狀態(tài)，水流流出彎道，如圖4所示。

對(duì)于彎道中軸線(xiàn)而言，介于扭曲面的中間，因此其變化相對(duì)最小。通過(guò)采用傳統(tǒng)計(jì)算方法得到計(jì)算值與FLUENT模型模擬值進(jìn)行比較。3種流量條件下，計(jì)算值均小于模擬值，但相對(duì)誤差較小，基本在5%以?xún)?nèi)。原因是計(jì)算中未能全面考慮河道中糙率分布不同、比降變化，水流本身的粘滯性等因素，而是簡(jiǎn)單概化。而對(duì)于FLUENT模型，模擬則更加接近水流實(shí)際情況。

2.2 橫向水面線(xiàn)分析

針對(duì)彎道水流的特點(diǎn)，截取4個(gè)不同轉(zhuǎn)彎角度(10°、30°、45°和彎道出口)時(shí)的橫斷面進(jìn)行水位分析，探究其在橫向的水位變化特征，如圖5所示。

從彎道不同角度橫斷面水位的變化可知，轉(zhuǎn)彎角度為15°、30°、45° 三處位置，凹岸水位明顯高于凸岸水位，即在河流的橫斷面方向存在一定的橫向水力坡降。這種橫向水力坡降在30°時(shí)最大(約為3%)，15°和45°稍小，且2種情況坡降基本上相似。在彎道出口處，橫向水力坡降基本為0，表明此時(shí)兩岸的水位基本回歸到原來(lái)狀態(tài)。在同一角度下，流量越大，則橫向水力坡降越明顯。從模擬結(jié)果看，在流量為20m3/s情況下，彎道橫向水位波動(dòng)較為明顯，且隨著流量的增大，水位波動(dòng)變得較小。說(shuō)明在小流量經(jīng)過(guò)彎道時(shí)，離心力占據(jù)主導(dǎo)地位，水流水氣摻混現(xiàn)象比較劇烈，因此水面波動(dòng)較大。而當(dāng)流量增大時(shí)，慣性力占據(jù)主導(dǎo)，水流保持原來(lái)的狀態(tài)大于離心力的影響，因此水面反而變得平順。

2.3 橫斷面環(huán)流分析

三維模擬的優(yōu)勢(shì)在于除了模擬河流縱向(沿水流方向)和橫向(垂直于水流方向)之外，還可以模擬橫斷面水流的環(huán)流特性(水深方向)。因此，通過(guò)分析橫斷面環(huán)流特點(diǎn)，進(jìn)一步研究不同工況下的橫斷面環(huán)流。

圖4 彎道中軸線(xiàn)對(duì)應(yīng)水位對(duì)比

圖5 不同工況下橫向水面線(xiàn)圖

通過(guò)模擬15°、30°、45° 三種角度在20、30、40m3/s三種流量工況下水流，可得到9種模擬工況的橫斷面水流環(huán)流，如圖6所示。通過(guò)分析可知，不同流量下均表現(xiàn)為在30°轉(zhuǎn)彎處對(duì)應(yīng)的彎道環(huán)流最為明顯，且河道底部環(huán)流較表層劇烈。環(huán)流方向?yàn)?，凸岸水流由下向上，凹岸水流由上向下。因此可知，如水流中含有泥沙，則容易表現(xiàn)出凹岸沖刷、凸岸淤積的情況。因此在進(jìn)行農(nóng)田水渠建設(shè)工程中，在轉(zhuǎn)彎處應(yīng)適當(dāng)加固兩岸渠道邊壁處理，避免過(guò)度沖刷和淤積，影響渠道輸水效率。

3 結(jié)語(yǔ)

研究以FLUENT模型為基礎(chǔ)對(duì)灌區(qū)水渠彎道三維水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，結(jié)論如下。

(1)水流在彎道處，表層自由水面是一個(gè)傾向凸岸的扭曲面；在轉(zhuǎn)彎時(shí)，水面會(huì)出現(xiàn)橫向水力坡降，且流量越大，橫向坡降越大；在橫斷面上，各種工況都在30°轉(zhuǎn)彎處出現(xiàn)最為強(qiáng)烈的橫向環(huán)流。若水中含有一定的泥沙，則容易形成凸岸的淤積和凹岸的沖刷，對(duì)灌區(qū)工程造成一定的影響。

(2)通過(guò)研究，可以為農(nóng)業(yè)水利工程，尤其是水渠工程彎道段施工建設(shè)提供技術(shù)指導(dǎo)。建議可在渠道轉(zhuǎn)彎處加強(qiáng)對(duì)凹岸的固化處理。由于模擬中未考慮含沙情況，因此在下一步深入研究中，可以考慮水沙對(duì)水渠彎道的綜合影響。