矩形明渠跌水壓力分布特性數(shù)值模擬研究

2022-10-17 08:27:56喬丹

科技視界 2022年20期

喬丹

（楊凌職業(yè)技術學院，陜西咸陽 712100）

0 引言

我國丘陵塬坡地區(qū)較多，在修建灌溉渠系工程時，跌水常作為上下游水流銜接的落差建筑物而被應用其中。在明渠中設置跌坎后，水流流經跌坎時形成自由跌水現(xiàn)象，跌坎上游附近的水流受到重力作用的影響而產生明顯的加速流動，從緩流轉變?yōu)榧绷?，水面降低，跌坎處流線急劇彎曲，流態(tài)較為復雜。基于明渠跌水的水流流態(tài)和水力特性，采用能量方程、動量方程等方法對跌水測流問題進行了理論分析研究。試驗證實，跌坎上游流速均勻斷面到跌坎處斷面之間，沿程各橫斷面壓力分布不再符合靜水壓力分布規(guī)律。因此在明渠跌水流量理論計算方法的推求中，其關鍵問題是如何解決跌坎處壓力分布非靜壓分布規(guī)律的難題，單純依靠試驗難以準確測定壓力分布特性，可借助紊流數(shù)值模擬來獲得跌坎處壓力分布特性，為明渠跌水測流水力計算提供基礎。

本文采用k-ε雙方程紊流模型，結合VOF方法對矩形明渠自由跌水的水流流態(tài)進行了三維數(shù)值模擬，得到了矩形明渠自由跌水的渠道橫斷面壓力分布特性，并將計算結果同模型試驗值進行了比較，為矩形明渠跌水測流理論計算奠定基礎。

1 數(shù)值模擬計算模型及工況

1.1 計算模型介紹

為了與試驗數(shù)據進行對比，對計算結果進行驗證，計算模型與試驗模型基本一致。選擇的模型依然是矩形渠道，在跌坎處分為兩個部分，上游段為矩形明渠，選擇的渠道的長度為40 m，明渠的寬度為0.3 m，渠道高度為0.1～1.0 m；跌落水舌不受限制，所以在跌坎處兩側各外擴0.15 m，跌坎下游的渠道的寬度為0.6 m，跌坎高度為0.6 m，下游段長度取為5 m。計算模型如圖1所示（以渠道高度0.4 m為例）。

圖1 矩形明渠自由跌水三維計算模型

1.2 模擬工況

選取十個不同的坡度，每個坡度上對應五個流量進行計算。總共建立了50個矩形明渠跌水模型進行模擬計算。具體的模擬計算工況見表1。

表1 計算工況表

2 計算結果及分析

在計算結束后，用Teclopt對計算結果進行處理。根據計算結果，對矩形明渠自由跌水過程中的壓力分布特性進行分析。

2.1 渠道橫斷面壓力分布特性

本文計算了矩形明渠自由跌水的渠道縱、橫斷面壓力分布，并同模型試驗進行了比較。

計算所得渠道沿程不同橫斷面的壓力分布等值線圖如圖2所示（S=0.005，Q=7 0L/s）。

圖2 跌坎上游不同橫斷面壓力分布等值線圖（S=0.005，Q=70 L/s）

從圖中可以看出，在距離跌坎較遠處，渠道內的水流未受到跌坎的影響，各個橫斷面壓力等值線互相平行。在跌坎附近由于受到重力和慣性力的作用，壓力分布發(fā)生變化，橫斷面壓力等值線向兩側傾斜，同一水深處靠邊墻兩側的壓力小于中間位置處的壓力。跌坎處距離渠底一定距離處出現(xiàn)壓力最大值。

2.2 沿程不同斷面豎向壓力分布特性

從圖2可知，明渠跌水時，各橫斷面豎向壓力分布發(fā)生了明顯變化，因此，圖3～圖5給出了更加直觀的各個斷面壓力豎向分布變化規(guī)律。由于試驗中測壓孔布置有限，無法對豎向壓力分布進行詳細研究，因此通過數(shù)值計算對此進行分析。

由圖4和圖5中可知，壓力數(shù)值計算值與實測值吻合良好。

由圖3～5可知，跌坎邊緣（x=0）處的壓力分布近似于拋物線型，在距離渠底某一高度處出現(xiàn)最大值，該斷面的平均壓力值小于靜水壓力分布的平均壓力。距離跌坎越遠，水流所受跌坎的影響越小，在距離跌坎一定距離時，壓力的垂向分布近似直線分布。在負坡和平坡中由于不存在均勻流，因此其壓力分布并非靜水壓力分布，只是呈線性分布，其壓力值小于靜水壓力；而正坡渠道中，距跌坎一定距離后產生了均勻流，因此其壓力分布為靜水壓力分布。從圖中可以看出，在距跌坎5 cm的范圍內，水壓力分布由跌坎處的拋物線型分布逐漸向直線型分布過渡。

在同一水深位置處，距離跌坎越遠，壓力越大，并且越向上游，壓力增大的幅度越來越小。在負坡渠道中，由于渠道中的水深從跌坎向上游沿程一直增加，距渠底同一高度的位置其與水面的距離沿程是不斷增加的，因此，距渠底同一高度位置處的壓強沿程一直增加，如圖3所示。在平坡渠道中，距離跌坎約5 m之后，由于渠道中的水深變化較小，因此渠道中各橫斷面壓力分布變化較小，如圖4所示。對于正坡渠道而言，當S=0.0240時，距跌坎0.22 m之后，橫斷面壓力分布已無明顯變化，斷面x=-0.42 m的壓力分布與斷面x=-8.00 m的壓力分布幾乎完全相同（見圖5）。