基于FLUENT的急流槽消能池消能率分析

林云青

（深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計研究中心有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

在山區(qū)修建公路，坡面排水是路塹或路堤邊坡上方自然坡面排水中的重要組成部分，由于自然坡度通常較陡，雨水經(jīng)坡面流入坡底截水溝的流速較高，如果消能設(shè)施設(shè)置不當(dāng)，水流有可能躍入路面或?qū)ζ陆羌敖厮疁袭a(chǎn)生一定損壞。因此有必要設(shè)置消能設(shè)施來降低流速，急流槽消能池是較常用的公路坡面排水消能設(shè)施，但消能池工程應(yīng)用方面較為缺乏尺寸設(shè)計依據(jù)。

計算流體動力學(xué)（CFD）軟件的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，為公路排水設(shè)計的研究提供了新的思路和更先進(jìn)的研究手段。文章通過CFD軟件對急流槽消能池三維模型進(jìn)行明渠流模擬，對其消能效果進(jìn)行分析，總結(jié)其消能規(guī)律，研究結(jié)果為急流槽消能池的設(shè)計提供參考。

1 消能率

消能率是用來衡量消能設(shè)施的消能效果的參數(shù)，其大小代表的是流出消能設(shè)施的水體的總能量與進(jìn)入消能設(shè)施的流體的總能量的比值的大小。某消能設(shè)施的消能率η的值越大，代表該消能設(shè)施的消能效果越明顯。消能率η的計算公式如下：

式中：Z1——上游相對于下游的高度，m；

h1、h2——上、下游水深，m；

v1、v2——上游進(jìn)口和下游出口的流速，m／s；

α1和α2——上下游的流速系數(shù)，均取1。

2 急流槽消能設(shè)施及消能率影響因素分析

2.1 急流槽消能設(shè)施

常用的急流槽消能設(shè)施為消能池，又稱斜插式消能池，通常設(shè)置在急流槽末端，在渠底設(shè)置抬高的橫檻。水流順急流槽流下時，在一定的池長和橫檻高度條件下水位升高，形成水躍以達(dá)到消能的目的。

從相關(guān)的急流槽消能池的消能率所作的定量分析可知，消能率η是池長l、進(jìn)口流速ν1、橫檻高度及入水角is的函數(shù)，可表示成如下形式：

通過同濟(jì)大學(xué)李志勇博士的相關(guān)論文數(shù)據(jù)分析，采用不同的池長l及入水角is時，消能率的變化規(guī)律受流速影響不大，可作為單獨(dú)變量提出。因此消能率η可寫成如下形式：

式中：β1——與池長有關(guān)的修正系數(shù)；

β2——與入水角有關(guān)的修正系數(shù)；

η′——與流速及橫檻高度有關(guān)的消能率。

2.2 消能率影響因素分析

影響急流槽消能池消能率的主要因素有進(jìn)口流速v、急流槽池長l、橫檻高度c等。

2.2.1 進(jìn)口流速（v）

進(jìn)口流速是影響消能槽消能率的一個重要因素，其大小與某地區(qū)的降水強(qiáng)度、進(jìn)水口的水體高度有關(guān)系，在討論消能率與設(shè)計徑流量的關(guān)系時，將進(jìn)口的水體深度設(shè)為定值，以進(jìn)口流速作為自變量，分別討論當(dāng)水體的流速為3m／s、4m／s、5m／s時的消能池消能率情況。

2.2.2 急流槽池長（l）

急流槽池長l為圖中所示消能池的底邊長度，消能池池長是影響消能率的一個重要因素（如圖1所示）。消能池池長越大，單位寬度池中坡頂流入的水體在槽中所停留的水量就越大，因此直觀推理應(yīng)可知消能率將越大。本論文所設(shè)計的模型的急流槽池長分別為2m、3m，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

圖1 急流槽池長與橫檻高度示意圖

2.2.3 橫檻高度（c）

橫檻高度為圖1中所示消能池的橫檻高度c。消能池池高是影響消能率的另一個重要因素，因此橫檻高度應(yīng)保證水體進(jìn)入急流槽能引起水躍發(fā)生，以達(dá)到消能的目的。

消能池橫檻高度越大，流入池中水體的水躍作用就越明顯，因此可知消能效果就越明顯，但橫檻高度與路面的高程有關(guān)，過高的橫檻高度在公路工程中也不適用。本論文所設(shè)計的模型的急流槽橫檻高度分別為0.3m、0.4m，并將仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

3 Gambit三維模型

用Gambit建立了坡度is分別為1∶1、1∶1.5的兩個三維模型。

圖2為急流槽消能設(shè)施的二維計算模型示意圖，圖3為其對應(yīng)的三維計算模型示意圖。進(jìn)口邊界由上部的氣體進(jìn)口（inletA）和的水進(jìn)口（inletW）組成。水進(jìn)口采用速度進(jìn)口（velocity－inlet）作用邊界條件；所有氣體進(jìn)口都定義為壓力進(jìn)口（pressure－inlet），此邊界條件適用于邊界壓力大小已經(jīng)確定，但邊界上通量未知的情況。設(shè)氣體邊界處的壓力都為大氣壓；出口定義為壓力出口（pressure－outlet），由于出口的水流為自由出流，與大氣相通，認(rèn)為出口壓力為大氣壓的值。

圖2 急流槽消能池二維計算模型示意圖

圖3 急流槽消能池三維計算模型示意圖

整個模型就只有一個出口，只能作為同一出口邊界，采用壓力邊界較為合適，一方面氣體可以任意流動，另一方面水可以自由出流。

4 計算結(jié)果分析

4.1 入水角1∶1.5模型

分析坡度為is＝1∶1.5（即入水角為1∶1.5）的急流槽消能模型模擬結(jié)果。

水體由上部的進(jìn)水口以高度0.2m，流體分別以流速為3m／s、4m／s、5m／s的速度進(jìn)入急流槽消能模型，根椐公式（1），可計算得流體的初始能量。

在對急流槽進(jìn)行仿真模擬的時候，急流槽的池長分別設(shè)計為2m、3m，對橫檻高度分別設(shè)計為0.3m、0.4m。

將仿真計算得到的出口水流速與消能率列于表1。

表1 消能池消能率計算結(jié)果表（入水角為1∶1.5）

通過Fluent迭代近3000次左右以后，模型出口（包括氣體和液體）的平均流速已經(jīng)達(dá)到定值，計算結(jié)果已經(jīng)收斂。再對整個模型內(nèi)的水流速度進(jìn)行等值著色處理，可以看到水躍發(fā)生的位置以及水躍高度和進(jìn)水口水流的流速有較大的關(guān)系（如圖4所示），并且水體進(jìn)入急流槽的速度越大，則產(chǎn)生水躍的地點(diǎn)距進(jìn)水口越遠(yuǎn)，即產(chǎn)生水躍越晚，同時水躍的高度越低，即橫檻對水流的消能作用越明顯。

圖4 不同流速下自由水面示意圖

4.2 入水角1∶1模型

首先分析坡度為is＝1∶1的階梯消能模型。

水體由上部的進(jìn)水口以高度0.2m，流體分別以流速為3m／s、4m／s、5m／s的速度進(jìn)入急流槽消能模型，根椐公式（1），可計算得流體的初始能量。

在對急流槽進(jìn)行仿真模擬的時候，急流槽的池長分別設(shè)計為2m、3m，對橫檻高度分別設(shè)計為0.3m、0.4m。

將仿真計算得到的出口水流速與消能率列于表2。

表2 消能池消能率計算結(jié)果表（入水角為1∶1）

4.3 結(jié)果分析

對急流槽消能池的消能率作定量分析可知，消能率η是池長l、進(jìn)口流速ν1、橫檻高度c及入水角is的函數(shù)，可表示成式（4）的形式。下面對其中的進(jìn)水口的水體速度v和急流槽的池長l進(jìn)行定量分析。

4.3.1 進(jìn)口速度v

在模型進(jìn)水口坡度、急流槽橫檻高度、池長分別設(shè)定為定值1∶1、0.4m、2m的情況下分析消能池消能率與進(jìn)口速度v的關(guān)系，如表3所示。

表3 急流槽消能率與進(jìn)水口速度的關(guān)系表

從圖5可以看出，當(dāng)進(jìn)水口速度在一定范圍內(nèi)變化時，急流槽的消能率隨著進(jìn)口的水體速度變大而變大。

圖5 急流槽消能率與進(jìn)水口速度關(guān)系圖

4.3.2 池長l

在模型進(jìn)水口坡度、急流槽橫檻高度、進(jìn)水口速度分別設(shè)定為定值：1∶1、0.4m、3m／s的情況下分析消能池消能率與池長l的關(guān)系見表4。

表4 急流槽消能率與急流槽池長的關(guān)系表

從圖6可以看出，當(dāng)急流槽池長在一定范圍內(nèi)變化時，急流槽的消能率隨著急流槽池長的變大而變大。

圖6 急流槽消能率與急流槽池長關(guān)系圖

5 結(jié)論

5.1 對急流槽消能池的設(shè)計，首先應(yīng)保證在跌水池內(nèi)水流形成水躍，根據(jù)本文計算結(jié)果分析，即應(yīng)滿足消能率隨進(jìn)口流速的增加而增加，如出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，則說明水躍沒有形成或水躍不足；若進(jìn)口流速過大，導(dǎo)致消能后出口流速仍較大時，可采取在池內(nèi)設(shè)置橫檻的方法來增加消能效果。

5.2 本文對急流槽的消能池進(jìn)行了三維建模計算分析，完善了二維模型中忽略的邊壁粗糙對水流橫向速度分布的影響，但是消能槽的寬度對消能率的影響還有待于作者及相關(guān)的研究者進(jìn)一步研究。

5.3 由于三維建模及計算的復(fù)雜性，本文對提及的自變量未進(jìn)行足夠多的仿真計算，樣本容量較小，不足以對相應(yīng)的自變量進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，對急流槽消能池的設(shè)計參考幫助有限，還有待于作者及相關(guān)的研究者進(jìn)一步研究。

[1]JTJ 018—97，公路排水設(shè)計規(guī)范[S].

[2]談至明.公路截水溝設(shè)計和典型結(jié)構(gòu)[J].公路交通科技，2005，（5）：43-46.

[3]談至明.公路急流槽管的典型結(jié)構(gòu)[J].公路交通科技，2005，（6）：60-64.

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