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        不同坡角引水渠道水力特性分析

        2020-06-04 03:59:16宋先鋒
        陜西水利 2020年3期

        宋先鋒

        (德州市農(nóng)村供水管理處,山東 德州 253014)

        0 引言

        引水渠道水力特性對(duì)輸送水效率具有較大的影響,因此,獲取最優(yōu)進(jìn)/出水口參數(shù),有大量學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。高學(xué)平等[1]通過(guò)多島遺傳算法對(duì)側(cè)式進(jìn)/出水口體型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),體型優(yōu)化后水頭損失系數(shù)減少3 %以上,不均勻系數(shù)小于20%,水力條件明顯改善;王晨茜[2]以芝瑞抽水蓄能電站為例,通過(guò)數(shù)值模擬方法研究豎井式進(jìn)/出水口的水力條件,通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后,水力特性改善明顯;劉際軍等[3]采用數(shù)值模擬方法,研究不同布置形式下豎井式進(jìn)/出水口的水流特性,認(rèn)為使用錐管擴(kuò)散可降低水頭損失;梅家鵬等[4]以句容抽水蓄能電站通過(guò)模型試驗(yàn)研究側(cè)式進(jìn)出水口水力特性,通過(guò)降低出水口高度優(yōu)化體型,提高了水流擴(kuò)散性能,水頭損失也明顯降低;劉際軍等[5]通過(guò)模型試驗(yàn)認(rèn)為增大擴(kuò)散角、降低引渠高程可消除不利環(huán)流,明顯提高明渠水力特性;顧莉等[6]以瓊中抽水蓄能電站為研究對(duì)象,通過(guò)模型試驗(yàn),研究各流道分流特性,認(rèn)為將邊隔墩移至起始擴(kuò)散面,可有效改善水力特性;侯才水等[7]、張曉曦等[8]使用CFD法分別研究不同進(jìn)/出水口位置及形狀對(duì)流態(tài)的影響和優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)/出水口形式,認(rèn)為采用組合彎管、長(zhǎng)倒錐體可明顯改善水力特性。在前人研究的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值模擬方法研究渠道坡角對(duì)引水渠道水力特性的影響。

        1 工程概況及模型建立

        某引水渠道總寬7.5 m,共有3 個(gè)分流墩,4 個(gè)流道,立面單向分流,垂直擴(kuò)散角為2.6°,平面雙向擴(kuò)散,擴(kuò)散角34°,擴(kuò)散段長(zhǎng)為36.0 m,漸變段長(zhǎng)12.0 m,調(diào)整段長(zhǎng)14.5 m,防渦梁段長(zhǎng)10.0 m,為側(cè)進(jìn)式體型,平面見(jiàn)圖1。根據(jù)設(shè)計(jì)引水渠道建立數(shù)值模擬模型。

        圖1 進(jìn)/出水口體型平面圖

        2 數(shù)值模擬結(jié)果

        2.1 死水位下計(jì)算結(jié)果

        死水位工況下,引水渠道出流流量為161.6m3/s,引水渠道雷諾數(shù)Re=2.8×107。通過(guò)Fluent軟件RSM紊流模型計(jì)算獲取流量分配情況,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1,中間孔位垂向流速分布計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。從表1可知,流量分配呈對(duì)稱分布,中間兩孔流量較大;從圖2可知中孔最大流速大于1.6 m3/s,最大流速位于距離渠底1.0 m~3.0 m范圍內(nèi),邊孔流速變化較小,流速大多集中于0.4 m3/s~0.6 m3/s。

        表1 流量分配結(jié)果

        圖2 中間孔位垂向流速分布

        2.2 引水渠道不同坡角數(shù)值模擬結(jié)果

        為研究引水渠道不同坡角工況下水力特性的變化情況,在其他參數(shù)保證不變的情況下,設(shè)計(jì)引水渠道坡角分別為0°、1°、2.6°、3°、5°、7°、8°共7種情況,研究水頭損失與流量分配以及不均勻系數(shù)與引水渠道坡角變化的關(guān)系,根據(jù)2.1 流量分配計(jì)算結(jié)果可知,對(duì)稱體型條件下,1 號(hào)與4 號(hào)、2 號(hào)與3 號(hào)計(jì)算結(jié)果相同,因此可僅研究1 號(hào)、2 號(hào)出水口。

        2.2.1 流速分布

        不同渠道坡角流速云圖見(jiàn)圖3。

        圖3 流速場(chǎng)分布

        根據(jù)邊孔流速云圖可知:當(dāng)渠道坡角從0°變化至8°的過(guò)程中,40 m~60 m范圍內(nèi)流速變化較小,流速分布基本一致,在擴(kuò)散段進(jìn)口處,孔口中間部位為主流位置,在45 m~50 m處主流位于兩側(cè)分流墩。在25 m處,當(dāng)引水渠道坡角在0°~4.0°時(shí),主流位于兩側(cè)分流墩;當(dāng)引水渠道坡角在6.0°~8.0°時(shí),主流位于兩側(cè)分流墩與頂板的夾角處。在10m處,當(dāng)引水渠道坡角在0°~4.0°時(shí),流速分布較為均勻;當(dāng)引水渠道坡角在6.0°~8.0°時(shí),流速分布表現(xiàn)為上部流速大,下部流速小。當(dāng)引水渠道坡角在0°~4.0°時(shí),無(wú)反向流速出現(xiàn),當(dāng)引水渠道坡角在6.0°~8.0°時(shí),逐漸在底部出現(xiàn)反向流速區(qū),在10 m處反向流速消失。

        根據(jù)中孔流速云圖可知:當(dāng)引水渠道坡角從0°~8.0°變化的過(guò)程中,主流位于中孔中部,隨著渠道坡角的增大,主流逐漸向上移動(dòng)。當(dāng)坡角為0°時(shí),主流在頂部發(fā)展又逐漸消失,當(dāng)坡角在2.0°~8.0°時(shí),反向流速區(qū)向底部發(fā)展并逐漸消失,主要原因是隨著渠道坡角的增大,主流上移,抑制頂部流動(dòng)的分離,促進(jìn)底部流動(dòng)分離。

        2.2.2 水頭損失與流量分配

        水頭損失與流量分配數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,邊孔流量隨著引水渠道坡角的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),中孔流量則先增大后減小。邊孔流量首先由20.2%逐漸減小,當(dāng)坡角增大達(dá)到垂向擴(kuò)散角2.6°時(shí),邊孔流量所占比例達(dá)到最小值19.7%,隨后逐漸增大至21.3%;中孔流量所占比例在初期逐漸由29.8%上升至30.3%,又逐漸減小至28.7%。流量分配結(jié)果與引水渠道坡角關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。

        表2 水頭損失與流量分配結(jié)果

        圖4 流量分配結(jié)果與引水渠道坡角關(guān)系曲線

        水頭損失系數(shù)與引水渠道坡腳的關(guān)系:隨著引水渠道坡角的增大,水頭損失系數(shù)由0.351 先減小后增大,當(dāng)坡角逐漸增大至2.6°時(shí),水頭損失系數(shù)達(dá)到最小值0.347,此時(shí),輸送水效率最高,隨著坡角的繼續(xù)增大,水頭損失系數(shù)又逐漸增大至0.364,輸送水效率逐漸降低。水頭損失系數(shù)與引水渠道坡角關(guān)系見(jiàn)圖5。

        圖5 水頭損失系數(shù)與引水渠道坡角關(guān)系曲線

        2.2.3 流速不均勻系數(shù)

        流速不均勻系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可知:邊孔、中孔流速不均勻系數(shù)隨著渠道坡角的增大,均表現(xiàn)為先減小后增大的變化趨勢(shì)。當(dāng)渠道坡角等于0°時(shí),邊孔流速不均勻系數(shù)等于1.52,中孔流速不均勻系數(shù)為1.78;當(dāng)渠道坡角增大至等于垂向擴(kuò)散角2.6°時(shí),邊孔、中孔流速不均勻系數(shù)降低至最小值,此時(shí)邊孔、中孔流速不均勻系數(shù)分別為1.41和1.72;隨后邊孔不均勻系數(shù)逐漸增大至2.12,中孔不均勻系數(shù)增大至2.46。

        表3 流速不均勻系數(shù)計(jì)算結(jié)果

        3 結(jié)論

        (1)反向流速區(qū)的面積與位置受引水渠道坡角影響較大,邊孔反向流速區(qū)與渠道坡角關(guān)系為:當(dāng)引水渠道坡角在0°~4.0°時(shí),無(wú)反向流速出現(xiàn);當(dāng)引水渠道坡角在6.0°~8.0°時(shí),逐漸在底部出現(xiàn)反向流速區(qū)。中孔反向流速區(qū)與渠道坡角關(guān)系為:當(dāng)坡角為0°時(shí),主流在頂部發(fā)展又逐漸消失;當(dāng)坡角在2.0°~8.0°時(shí),反向流速區(qū)向底部發(fā)展并逐漸消失。

        (2)當(dāng)引水渠道坡角與垂向擴(kuò)散角相同時(shí),水力特性較好,此時(shí)水頭損失系數(shù)和流速不均勻系數(shù)均較小,中孔流量分配所占比例最大,可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

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