張?zhí)煜?，俞曉東，賀蔚*，張健，肖洋

(1. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2. 河海大學(xué)水安全與水科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210098)

明渠岸邊橫向取水是被廣泛應(yīng)用的取水方式之一，經(jīng)常被用于火電站、核電站和長距離引水工程中.然而，取水口附近旋渦的產(chǎn)生是對運行造成危害的主要原因之一，所以研究人員十分重視并有針對性的進行了一些研究.主要從二維紊流、三維T型分叉結(jié)構(gòu)、三維層流進行數(shù)值模擬研究[1-4].曹繼文等[5]在三維情況下對岸邊橫向取水口和附近區(qū)域進行比較深入地研究，并應(yīng)用N-S方程對明渠橫向取水進行了相應(yīng)的數(shù)值計算.同時楊帆[6]結(jié)合試驗和數(shù)值模擬研究了取水角度對于明渠岸邊側(cè)向取水的影響.李濤等[7]則對不同形式明渠橫向分流口門的局部水頭損失進行了研究.一些文獻(xiàn)也針對明渠水流進行了深入研究，包括用VOF法表示明渠自由液面[8]，不同截面明渠水流的水力特性及流速分布規(guī)律[9]、進水口體型優(yōu)化[10]等，這些對于明渠橫向取水旋渦的研究均起到一定幫助.

已有研究表明，明渠橫向取水旋渦會對取水工程帶來不利影響，為找到有效地削弱措施，需明確其影響因素，然而針對明渠岸邊橫向取水銜接處旋渦的研究還較少觸及，且相關(guān)水力學(xué)機理有待完善，所以對于明渠橫向取水旋渦影響因素的研究是必要的.文中擬以中國某橫向取水工程為例，結(jié)合數(shù)值模擬和模型試驗，模擬取水過程中的水力學(xué)特性，分析旋渦產(chǎn)生機理及影響因素，并最終提出削弱措施.

1 研究對象及方法

1.1 研究區(qū)域

文中主要采用中國南方某橫向取水工程的相關(guān)工程參數(shù)，研究區(qū)域如圖1所示.在正常運行工況下水位為-0.31 m，主河道平均流量為958.4 m3/s，平均流速約為0.52 m/s.橫向取水口位于主河道右岸，翼墻坡度為1∶2.5，取水口口門寬度為9.0 m，底部高程為-3.5 m，取水設(shè)計流量20 m3/s.在該工程中，水動力條件對取水效率、口門泥沙淤積等都有重要影響.

圖1 研究區(qū)域示意圖

在進行模型試驗中發(fā)現(xiàn)橫向取水過程中在銜接處易產(chǎn)生旋渦，對該現(xiàn)象進行數(shù)值模擬，分析其產(chǎn)生機理及影響因素，并進行優(yōu)化設(shè)計和驗證.

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 模型建立

數(shù)學(xué)模型采用Gambit軟件建立并劃分網(wǎng)格，同時通過Fluent進行計算.計算區(qū)域包括主河道上下游進出口、固體邊壁、水面、取水口、主河道和分河道組成.其中主河道長4.0 m，寬3.0 m，高0.2 m，分河道長1.0 m，河底寬0.3 m，水面寬0.8 m，高0.2 m.上下游進出口分別設(shè)在主河道上下游斷面，取水口設(shè)在分河道下游斷面.概化模型見圖2.

圖2 概化模型

模型內(nèi)包含2種材料，初始化設(shè)置時將模型上半部分設(shè)置為空氣，下半部分設(shè)置為液態(tài)水.上游流場進口[11]分為2部分，上部分為空氣進口，下部分為液體進口.空氣進口的邊界條件定為壓力進口，液體進口的邊界條件定為速度進口.取水口的邊界條件定為速度進口，并設(shè)置為負(fù)值.下游流場出口同樣分為2部分，空氣出口部分采用壓力出口，液體出口部分采用速度進口，將速度設(shè)置為負(fù)值.關(guān)于底板、邊墻等均采用無滑移壁面邊界條件，而模型頂部設(shè)置為壓力進口.

1.2.2 控制方程

文中主要研究的是不可壓縮流體，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，該模型應(yīng)用較為廣泛，其連續(xù)方程、動量方程、k方程和ε方程以及出現(xiàn)的經(jīng)驗常數(shù)均可參考文獻(xiàn)[12].并運用VOF法[13]追蹤自由液面，使用有限體積法進行離散，并用SMIPLE算法對取水口及周圍河道進行三維數(shù)值模擬.為研究取水口附近水力特性的變化情況，對試驗特定平面內(nèi)的水體進行速度監(jiān)測.

時均不可壓縮流體的N-S方程為

?·u=0，

(1)

(2)

式中：u為速度；p為壓力；μ為動力黏性系數(shù)；ρ為密度；g為重力加速度.

渦量是表述旋渦運動重要的物理量之一，渦量計算公式為

Ω=?×u，

(3)

式中：Ω為渦量矢量；u為速度矢量.

在VOF模型中，水氣兩相分別求解質(zhì)量方程、共享同一個動量方程.當(dāng)出現(xiàn)水氣兩相共同存在于一個計算網(wǎng)格單元時，通過體積平均法來進行計算

ρ=αaρa+αwρw，

(4)

式中：下標(biāo)a表示氣體；w表示液體.與此同時，氣體和液體的體積分?jǐn)?shù)相加等于1.

1.2.3 網(wǎng)格尺寸敏感性分析

模型主要采用混合網(wǎng)格，以四面體網(wǎng)格為主，其他網(wǎng)格為輔.針對不同數(shù)量的網(wǎng)格模型，對斷面b-b的平均水壓進行對比分析，并繪制成圖3，觀察變化趨勢.當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)大于約350萬時，斷面b-b上平均水壓變化差異較小(小于0.5%).綜合考慮后，最終選擇網(wǎng)格總數(shù)約為353.1萬的數(shù)學(xué)模型進行計算，物理模型如圖4所示.

圖3 不同網(wǎng)格劃分下斷面b-b平均水壓

圖4 河道取水口物理模型

1.3 物理模型試驗

1.3.1 模型建立

物理模型以某橫向取水工程為實例進行建造，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，采用正態(tài)模型，模型幾何比尺為1∶30.模型模擬范圍包括取水口、上下游部分主河道等.物理模型寬度為90 m，上下游長度各225 m.取水口為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，糙率一般為0.014，比尺為1.763，有機玻璃的糙率為0.008符合阻力相似要求，所以采用有機玻璃制成.河道地形用水泥砂漿制作，采用專門的拉毛工藝處理，基本滿足阻力相似要求.選用多臺水泵進行流量控制，試驗前根據(jù)運行工況對各泵流量進行率定.

1.3.2 量測儀器

物理模型共有3個進出水邊界.取水口利用水泵取水，并連接有閥門及LZS-P塑料轉(zhuǎn)子流量計，利用閥門來控制取水口流量.采用目測和水位測針進行水位觀測，兩者相互驗證，保證水位測量的準(zhǔn)確性.對于流速，采用多臺LGY-Ⅲ型多功能智能流速儀進行量測，由計算機進行數(shù)據(jù)高頻采集及記錄，監(jiān)測點位于取水口附近以及上下游河道均布置有多個點位，同時還會對一些特殊的點位使用手持流速儀進行測量.對于一些流態(tài)方面的觀測，利用攝像機記錄流場圖像，對其進行分析研究.

1.4 模擬工況設(shè)置

研究在設(shè)計運行水位以及落潮平均流量下進行，主要針對銜接段圓弧半徑對主河道與橫向取水口銜接段所產(chǎn)生的旋渦進行研究，同時考慮主河道流量以及取水流量的影響.探究其相關(guān)水力學(xué)機理，提出了削弱措施.具體試驗工況見表1.

表1 試驗工況

2 模型驗證

為了進一步驗證數(shù)學(xué)模型的可靠性，以模型試驗中2個特定斷面作為研究對象，選取基本工況S1作為驗證工況，在數(shù)學(xué)模型中選取與物理模型試驗中相同位置的監(jiān)測點，并對水下4.0 cm(原型為水下1.2 m)進行流速監(jiān)測.將兩個斷面的流速分布與物理模型試驗結(jié)果進行對比驗證，結(jié)果如圖5所示.

3 討 論

3.1 橫向取水引起旋渦水力特性分析

對基本工況S1進行模型試驗，工況S1銜接方式為直角銜接，示意圖及實物圖見圖6a,b.試驗中河道來流較為平順，當(dāng)水流行至銜接段附近，會在銜接段形成渦帶，單個旋渦半徑較大，有一定的深度，渦帶長度基本到達(dá)取水口中軸線，試驗現(xiàn)象見圖6c.運用數(shù)值模擬對該現(xiàn)象進行模擬，分析橫向取水引起旋渦的水力特性問題.

圖5 數(shù)學(xué)模型驗證示意圖及斷面流速對比圖

圖6 工況S1物理模型及試驗現(xiàn)象

根據(jù)圖7a得到：主河道與橫向取水口交界處的上游側(cè)存在高流速區(qū)域，由于取水口的影響，取水口內(nèi)的分河道存在局部低流速區(qū)，使得分河道內(nèi)流速分布復(fù)雜，流態(tài)較差，影響取水效率.根據(jù)圖7b得到：銜接段附近存在一條明顯的渦帶，渦帶長度約占分河道寬度的54.6%，影響范圍較大.根據(jù)圖7c得到：分河道中存在有較大范圍的高湍動能區(qū)，銜接段處有一明顯的高湍動能帶，與渦帶位置基本相同.

圖7 工況S1系列云圖

研究發(fā)現(xiàn)，在水流流動過程中，壓力會逐漸下降補償水流運動產(chǎn)生的損失，橫向取水口與主河道交界處的上游側(cè)存在有一處低壓區(qū)，當(dāng)水流在流至交界處之前，處于加速減壓狀態(tài)，在交界處流速達(dá)到最大，壓力最小.但當(dāng)水流流過交界處時河道突然擴散，流速突然降低并在分離點處流速降為0，分離點處無法再讓動能轉(zhuǎn)換為壓能，主流將被迫脫離壁面，發(fā)生邊界層與邊界分離的現(xiàn)象，主流按照原來的流向繼續(xù)流動，下游的水流則會流到主流所空出的部分，由此形成旋渦.

3.2 銜接段圓弧半徑對旋渦的影響

經(jīng)過上述數(shù)值模擬和模型試驗研究發(fā)現(xiàn)，分離點的位置會對旋渦產(chǎn)生一定的影響.分離點越接近繞過物體的末端，旋渦就會越小，存在的長度也會有所減短，對取水口的影響也會越小.改變銜接段的結(jié)構(gòu)會對分離點的位置產(chǎn)生一定影響，采用圓弧過渡，可以使水流擴散趨勢有所緩解，減緩流速降低的速率，同時使分離點更靠近銜接段末端減緩發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象，改善銜接段旋渦現(xiàn)象.由此，提出多種不同工況，并選取其中部分工況進行模型試驗，觀察不同銜接段圓弧半徑對于旋渦的影響.

工況S2,S3,S4,S5的區(qū)別主要是銜接段圓弧半徑長度不同，從圖8a分析發(fā)現(xiàn)：隨著圓弧長度不斷增加，銜接段的高流速區(qū)域不斷減小，分河道中局部低流速區(qū)也不斷減小，流速分布愈加均勻.從圖8b分析發(fā)現(xiàn)：由于銜接段圓弧不斷增加，使得水流到達(dá)銜接段時，擴散趨勢有所減緩，旋渦會部分削弱，與S1工況相比，渦帶長度分別減小了4.9%,11.2%,16.3%,21.7%.S5工況中渦帶影響范圍只占到分河道寬度的42.0%，渦帶的影響范圍得到明顯減小.從圖8c分析發(fā)現(xiàn)：原本分河道存在的高湍動能區(qū)隨著銜接段圓弧半徑的增加在不停地減小，分河道中湍動能最大值也有所減小，流態(tài)有所改善.

圖8 不同工況系列云圖

針對S2,S3工況進行模型試驗，示意圖和試驗圖見圖9a,b.通過模型試驗觀察到：隨著圓弧半徑的不斷增加，銜接段附近出現(xiàn)的旋渦在直徑和深度方面均有所減小，分離點的位置也向下游有所移動，旋渦存在的時間也有所縮短，渦帶長度也有所減小.其中，S3工況基本已由S1工況的小旋渦變?yōu)楸砻鏈u紋，深度有較明顯的減小，流態(tài)明顯好轉(zhuǎn)，對提高取水口工作效率有明顯幫助，試驗現(xiàn)象見圖9c.

圖9 不同工況試驗?zāi)Ｐ图霸囼灛F(xiàn)象

3.3 主河道流速和取水流速對旋渦的影響

3.3.1 主河道流速的影響

S6,S7,S8工況主河道的流速如圖10所示.

圖10 不同工況云圖

從圖10a發(fā)現(xiàn)：受主河道流速不斷增加的影響，銜接段處高流速區(qū)域有所增加，但是由于取水流量不變，導(dǎo)致分河道處的低流速區(qū)域也在不斷增加，流態(tài)也越加復(fù)雜.從圖10b發(fā)現(xiàn)：隨著主河道流速的增加，銜接段處的渦帶長度在不斷的增加，同時旋渦的強度也有所增加.從圖10c發(fā)現(xiàn)：隨著流速的變大，高湍動能區(qū)面積也在不斷增加，側(cè)面驗證了流態(tài)也愈加復(fù)雜.主河道流速的增加對橫向取水工程的流態(tài)較為不利.

隨著主河道流速的增加，渦帶長度分別增加約3.80%,9.10%,17.83%，旋渦的強度也在不斷增加，銜接段處的流態(tài)趨向復(fù)雜.

3.3.2 取水流速的影響

S9,S10,S11工況的差距則主要在取水流量上，取水流量越大，流速越大，如圖11所示.從圖11a發(fā)現(xiàn)：隨著取水流速的增加，銜接段處高流速區(qū)域有所增加，分河道內(nèi)低流速區(qū)域在不斷減小，但在一定程度上會影響到主河道流速以及流態(tài).從圖11b發(fā)現(xiàn)：隨著取水流速的增加，銜接段處的渦帶方向會更偏向于取水口方向，雖然渦帶的長度和強度都有所增加，但影響范圍占分河道寬度的百分比不斷減小.從圖11c發(fā)現(xiàn)：隨著流速變大，高湍動能區(qū)面積不斷增加，同時高湍動能區(qū)更集中在分河道中的上游側(cè)，銜接段處的高湍動能帶也有所增加，側(cè)面驗證了渦帶的增強.

取水流速的增加可能會在一定程度上對主河道流態(tài)產(chǎn)生影響，同時隨著取水流速的增加，銜接段處的旋渦會更偏向于取水口方向，旋渦的強度和長度有所增加，渦帶長度分別增加約5.5%,26.5%,34.1%.但渦帶占分河道寬度的百分比有所減小，分別減小約0.6%,3.6%和6.5%.

圖11 不同工況云圖

4 結(jié) 論

文中對明渠岸邊橫向取水過程的旋渦進行了研究，分析旋渦的產(chǎn)生機理、影響因素以及削弱措施，并通過Fluent對不同工況進行三維數(shù)值模擬，結(jié)果表明：

1) 主河道與橫向取水口銜接段附近旋渦的產(chǎn)生原因是：水流在流動到交界處時河道突然擴散，流速突然降低并在分離點處流速降為0，分離點處無法再讓動能轉(zhuǎn)換為壓能，主流將被迫脫離壁面，下游的水流則會流到主流所空出的部分，由此形成旋渦.

2) 改變銜接段的結(jié)構(gòu)銜接方式會對分離點的位置產(chǎn)生影響，采用圓弧過渡，可以使水流擴散趨勢有所緩解，減緩流速降低的速率，同時使分離點更靠近銜接段末端減緩發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象，改善銜接段旋渦現(xiàn)象.

3) 基本工況S1在銜接段附近存在明顯的渦帶，渦帶長度約占分河道寬度的54.6%，影響范圍較大.隨著銜接段圓弧不斷增加，水流擴散趨勢有所減緩，與S1工況相比，渦帶長度分別減小了4.9%,11.2%,16.3%,21.7%，其中S5工況中的影響范圍得到明顯減小，影響范圍只占到分河道寬度的42.0%.

4) 主河道流速和取水流速在一定程度上也會對銜接段處的旋渦產(chǎn)生部分影響.隨著主河道流速和取水流速的增加，渦帶長度明顯增加，旋渦的強度也在不斷增加，銜接段處的流態(tài)更為復(fù)雜，對橫向取水工程的流態(tài)較為不利.