水流交匯區(qū)的水動力學特性數(shù)值模擬

劉盛,康 鵬 ,李 然 ,魏 娟

(四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點試驗室,四川 成都 610065)

水流交匯現(xiàn)象在環(huán)境工程和水利工程等領域廣泛存在。水流交匯區(qū)的水流流動十分復雜,呈現(xiàn)諸多特有的水動力學特性,如流動混摻、水面壅高、二次流等,這些特性受到很多因素的影響,包括交匯口形狀、尺寸、河道坡底、交匯角大小、流量比、動量比等。對水流交匯區(qū)水動力學特性的研究可以追溯到20世紀40年代,Taylor[1]最早采用動量方程對交匯角為45°和135°的明渠交匯水流進行理論研究,得到了上、下游水深比簡單的關系式;Best[2]提出了有關交匯口附近流體的分區(qū);Webber等[3]考慮了阻力的影響,通過保角映射的方法提出了水流交匯區(qū)的理論水流模式;Hsu等[4]根據(jù)試驗結果得到水頭損失系數(shù)以及和流量比有關的動量修正系數(shù)和動能修正系數(shù)的擬合表達式;茅澤育等[5-6]建立了考慮干、支流交匯角以及與流量比相關的動量修正系數(shù)和動能修正系數(shù)的一維數(shù)學模型,提出了動量損失系數(shù)的理論表達式;徐孝平等[7]將側槽作為岸邊排放口處理,運用水深平均k-ε流模式、剛蓋假定及混合有限分析法,較好地模擬了直角交匯河段的流場特性;趙升偉等[8]針對明渠交匯口緩流流動特性,分別應用水深平均H-L模型及k-ε模型對明渠交匯區(qū)流動進行模擬,并應用實測資料對這2種模型進行驗證比較;劉同宦等[9]應用三維多普勒流速儀(ADV)研究交匯角為90°時不同匯流比水流條件下交匯區(qū)域的三維水流結構及其脈動特性;馮鏡潔等[10]以水槽試驗為基礎,結合數(shù)值模擬研究分析了交匯角為60°和90°時交匯區(qū)的特性;吳迪等[11-13]利用ADV對Y形交匯口水流的三維水力特性進行模型試驗并進行數(shù)值分析。

基于水流交匯區(qū)濃度分布試驗和理論研究,本文建立了適用于水流交匯區(qū)的水氣兩相流模型,模擬分析了不同交匯角、流量比以及動量比對交匯區(qū)水動力學特性的影響,研究了水流交匯區(qū)的水動力學特性。水動力學特性直接影響污染物濃度分布特征,研究可為交匯區(qū)污染物濃度擴散研究提供基礎數(shù)據(jù)和參考,對排污口的位置選擇以及河道治理等都具有重要的指導意義。

1 交匯區(qū)水氣兩相流數(shù)學模型的建立

1.1 模型方程

為模擬交匯區(qū)自由水面的水深變化,采用水氣兩相流三維紊流 k-ε模型,自由水面的確定采用VOF方法。定義函數(shù)αw和αa分別代表計算區(qū)域內水和氣所占的體積分數(shù),在每個單元中有 αw+αa=1。水氣兩相流的數(shù)學模型如下:

式中:ρ為流體密度,kg/m3;ˉui和ˉuj分別為i和j方向上的時均速度,m/s;u′i和u′j分別為i和j方向上的脈動分量 ,m/s;ˉp 為時均壓力,Pa;ˉgi為 i方向上的時均體積力,m/s2;υ為分子運動黏性系數(shù),m2/s;υt為紊動黏性系數(shù);k為紊動能;ε為紊動耗散率;σk和σε分別為k方程和ε方程的紊流Prandtl數(shù),分別取值1.44和1.92;Gk為流速梯度引起的紊動能生成項;Cε1和 Cε2為經(jīng)驗系數(shù),取值分別為 1.0和1.3;Cμ為經(jīng)驗系數(shù),取值0.09;i,j=1,2,3,分別代表x,y,z這3個坐標方向。

1.2 邊界條件

a.進口邊界。進口邊界條件按流量進口設置,給定水深、流量、紊動特征量k和ε。紊動特征量按式(5)～(6)確定:

式中:u0為進口斷面平均流速;h0為進口處水深。

b.出口邊界。下游出流邊界水位較穩(wěn)定,流動是充分發(fā)展的,出口斷面上的所有變量(壓力除外)沿出口法線的梯度為零,表達式為

式中:n為出口斷面的法線向量。

c.壁面邊界。在近壁處采用標準壁面函數(shù)法得到近壁網(wǎng)格節(jié)點的變量值。引入無量綱參數(shù) y+表示距離,設近壁點p到壁面的距離為yp,則

式中:up,kp,εp分別為p點的流速、紊動能和紊動耗散率;ur為壁面摩擦速度;τw為壁面切應力;κ和E為常數(shù),分別取值0.42和9.8。

1.3 數(shù)值計算方法

采用有限體積法對通用方程在同位網(wǎng)格上進行離散,源項采用負坡線性化處理,動量方程離散時采用動量插值法,在計算界面流速時引入相鄰兩點的壓力差。采用PISO[14]算法來求解壓力、速度的耦合問題。

2 數(shù)學模型的驗證

采用Weber等[15]的試驗結果對本文建立的水氣兩相流數(shù)學模型進行驗證。

2.1 Weber試驗簡介

Weber試驗在交匯角為90°的等寬水槽中進行。干流水槽長21.95m,交匯口上游長5.49m,支流水槽長3.66m,主支流水槽寬度均為0.91m,高度為0.5m,水槽底部為平坡,干支流水槽上游各設有平流裝置,試驗水槽平面示意圖如圖1所示。

圖1 試驗水槽平面示意圖(單位:m)

2.2 流場模擬結果的驗證

數(shù)值模擬中坐標原點位于干支流邊界交匯點上游,x軸方向為干流水槽的流動方向,y軸方向為支流水槽的流動方向,z軸方向為垂直向上方向,見圖1。選取Weber試驗中2組試驗的測量結果對數(shù)學模型模擬結果進行驗證,第1組的干流流量Q m和支流流量 Qb分別為0.071 m3/s和0.099 m3/s,第2組的Q m和 Q b分別為0.099 m3/s和0.071 m3/s。

圖2和圖3分別為第1組和第2組試驗的自由水面高程計算值與試驗值的對比。由圖2和圖3可知,水氣兩相流VOF模型模擬計算的自由水面高程與試驗結果吻合較好,能夠比較準確地模擬出交匯區(qū)的水面變化特征。

圖2 第1組試驗自由水面高程計算值與試驗值的對比

圖4為2組試驗z=0.254m水平面的流線分布。從圖4可以看出,支流匯入干流后,流線發(fā)生明顯偏轉,水流在交匯口下游交匯點處發(fā)生分離,流速減小甚至產生回流,形成分離區(qū)。圖5為第2組試驗z=0.254 m水平面的流速分布數(shù)值模擬結果與試驗結果的對比。從圖5可以看出,流速分布數(shù)值模擬結果與試驗結果接近,但數(shù)值模擬結果比試驗結果略小。

圖6為第2組試驗 x=2.132m橫斷面流速分布的數(shù)值模擬結果與試驗結果的對比。從圖6可以看出,水氣兩相流模型模擬得到的二次流與試驗結果趨勢相似,但速度值及環(huán)流中心位置存在一定的差異。分析其原因:在水流交匯區(qū)流動中,除了由于彎道流動特征引起的第一類二次流外,同時存在由各向異性紊動引起的第二類二次流,而k-ε模型本身的各向同性假定導致二次流模擬結果存在一定誤差。

圖3 第2組試驗自由水面高程計算值與試驗值的對比

圖4 2組試驗z=0.254m水平面的流線分布

圖5 第2組試驗z=0.254m水平面流速分布數(shù)值模擬結果與試驗結果的對比

圖6 第2組試驗x=2.132m橫斷面流速分布的數(shù)值模擬結果與試驗結果的對比

3 交匯區(qū)水動力學特征的數(shù)值模擬

3.1 計算模型及工況設置

采用水氣兩相流數(shù)學模型對不同交匯角、流量比和動量比開展數(shù)值模擬研究。數(shù)值計算模型參考Weber試驗水槽,模型大小略有變化,其中干流長27 m,交匯口上游長6m,支流長6m,主支流寬度均為1 m,高度為0.6 m,底部為平坡,坐標原點位于干支流邊界交匯點下游。

數(shù)值模擬工況見表1,每組工況交匯口下游總流量 Q s均為0.12m3/s。

表1 數(shù)值模擬工況

3.2 網(wǎng)格劃分

不同交匯角網(wǎng)格劃分的原則基本一致,即對交匯口附近的區(qū)域網(wǎng)格加密,而交匯口向上游和下游方向網(wǎng)格均逐漸稀疏;在垂向和橫向考慮邊壁的影響,對底部及邊壁處加密;為了精確求解自由水面位置,對水氣兩相交界區(qū)域的網(wǎng)格加密。以交匯角為90°時的模型為例,網(wǎng)格單元總數(shù)為 26.96萬個,最小網(wǎng)格體積為 5×10-6m3,最大網(wǎng)格體積為3.8×10-4m3。

3.3 交匯角對流場特征的影響

圖7為不同交匯角時的水位分布比較。從圖7可以看出,在流量比和動量比相同的情況下,交匯角越小,交匯口上游的壅水現(xiàn)象越不明顯,上、下游水位差越小,分離區(qū)內的水位下降程度及分離區(qū)的范圍也越小。

圖7 不同交匯角時的水位分布比較(單位:m)

圖8為不同交匯角時z=0.250m水平面流線分布比較。從圖8可以看出,在流量比和動量比相同的情況下,交匯角越小,支流對干流的干擾越小。交匯角的大小對分離區(qū)的出現(xiàn)及形狀影響較大。隨著交匯角的減小,支流流線在交匯口下游的偏轉程度逐漸變小,分離區(qū)的范圍逐漸縮小直至完全消失。在交匯角為45°時,沒有回流現(xiàn)象發(fā)生,而在交匯角為30°時,分離區(qū)已經(jīng)完全消失,僅在交匯口下游存在流線彎曲現(xiàn)象。

圖8 不同交匯角時z=0.250m水平面流線分布比較

3.4 流量比和動量比對流場特征的影響

圖9為不同流量比和動量比時的水位分布比較。從圖9可以看出,在交匯角一定的情況下,流量比和動量比越小,上游的壅水現(xiàn)象越不明顯,上、下游水位差越小,分離區(qū)內的水位下降程度及分離區(qū)的范圍也越小。

圖9 不同流量比和動量比時的水位分布(單位:m)

圖10 不同流量比和動量比時z=0.250m水平面流線分布比較

圖10為不同流量比和動量比時z=0.250m水平面流線分布比較。從圖10可以看出,在交匯角一定的情況下,不同流量比和動量比工況下形成的分離區(qū)形狀相似,隨著支流、干流的流量比和動量比減小,支流對干流的干擾程度逐漸降低,形成的分離區(qū)形狀和尺寸逐漸變小。

4 結 語

本文建立的水氣兩相流模型較好地模擬了交匯區(qū)的自由水面和流場內部特征。數(shù)值模擬研究結果表明:交匯角、流量比和動量比越小,支流對干流的干擾越小,交匯口上游水位的壅高及分離區(qū)內水位下降程度越不明顯;在流量比和動量比一定的情況下,隨著交匯角的減小,分離區(qū)的范圍逐漸縮小直至分離區(qū)消失;在交匯角一定的情況下,隨著流量比和動量比的減小,分離區(qū)的形狀和尺寸逐漸變小。

水體的水動力學條件是污染物遷移、轉化的基本背景條件。本文開展的水流交匯區(qū)水動力學特性研究,可以為水流交匯區(qū)污染物濃度擴散研究提供基礎數(shù)據(jù)和參考,但由于水流交匯區(qū)水流結構的復雜性與數(shù)值模擬本身的局限性,本文建立的水氣兩相流數(shù)學模型尚不夠完善,水氣兩相流模擬結果與實際情況存在一定的差異,因此對本文數(shù)學模型進行更廣泛的驗證和完善是今后值得進一步研究的問題。

[1]TAYLOR J L.Flow characteristics at rectangular open-channel junctions[J].Trans,1944,109:893-902.

[2]BEST J L.Flow dynamics at river channel confluences:implications for sediment transport and bed morphology[C]//Recent Developments in Dluvial Sedimentology.Tulsa:Society of Economic Paleontologists and Mineralogists,1987.

[3]WEBBER N B,GREATED C A.An investigation of flow behavior at the junction of rectangle channels[J].Proc Inst Engrs,1966,34(8):321-334.

[3]WEBBER N B,GREATED C A.An investigation of flow behavior at the junction of rectangle channels[J].Proc Inst Engrs,1966,34(8):321-334.

[4]HSU C C,WU F J,LEE W J.Flow at 90°equal-witdth open channel junction[J].Journal of Hydraulic Engineering,1998,124(2):186-191.

[5]茅澤育,羅旰,趙升偉,等.等寬明渠交匯口水流一維數(shù)學模型[J].水利學報,2004,35(8):26-32.

[6]茅澤育,趙升偉,羅旰,等.明渠交匯口水流分離區(qū)研究[J].水科學進展,2005,16(1):7-13.

[7]徐孝平,彭文啟,李煒.直角交匯河段流場特性分析[J].水利學報,1993,24(2):22-31.

[8]趙升偉,茅澤育,羅旰,等.等寬明渠交匯水流數(shù)值計算[J].河海大學學報:自然科學版,2005,33(5):494-499.

[9]劉同宦,郭煒.主支匯流比對交匯區(qū)域水流脈動特性影響試驗[J].水利水電科技進展,2009,29(3):6-9.

[10]馮鏡潔,李然,王協(xié)康,等.河流交匯分離區(qū)特性研究[J].水動力學研究與進展:A輯,2009,24(3):321-325.

[11]吳迪,郭維東,劉卓也.復式斷面河道“Y”型交匯河口水流水力特性[J].水利水電科技進展,2007,27(3):21-23.

[12]郭維東,梁岳,馮亞輝,等.Y型明渠交匯水流分離區(qū)的數(shù)值分析[J].水利水電科技進展,2007,27(6):50-52.

[13]郭維東,王曉剛,曹繼文,等.“Y”型匯流口水流水力特性試驗研究[J].水電能源科學,2005,23(3):53-56.

[14]王福軍.計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004:87-91.

[15]WEBER L J,SCHUMATE E D,MAWER N.Experiments on flow at a 90°open-channel junction[J].Journal of Hydraulic Engineering,2001,127(5):340-350.