三維視角下灌區(qū)彎道水流對工程影響的最不利位置研究

白向華

(江西省水利水電建設有限公司，江西 南昌 330200)

根據(jù)2018年水利部統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國灌區(qū)覆蓋面積已達0.678億hm2，面積位居世界第一。農業(yè)用水是我國水資源利用的主要去向，我國每年使用的水資源量，超過2/3的部分被用于農業(yè)灌溉。為了合理利用水資源，大大小小的灌區(qū)配套工程逐步建設完善，其中最重要的部分就是渠道工程。渠道的建設可以保證水流到達各種類型的灌區(qū)。為了研究水流流經(jīng)渠道，尤其是彎道處的水力特性，研究灌區(qū)水渠彎道處水流運動狀態(tài)具有相當重要的現(xiàn)實意義和實踐價值?？紤]到以往研究均從一維或者二維角度出發(fā)，未能從三維的全面立體角度進行深入研究，因此，本文以FLUENT模型為基礎，建立灌區(qū)水渠彎道處水流三維數(shù)值模型，以探究其水力特性。希望通過本研究，為農田水利工程規(guī)劃、設計和建設工作助力。

1 模型建立

1.1 工程概況

本文選取的灌區(qū)地處我國江西省中部，南面臨近贛江。灌區(qū)設計灌溉面積32.27萬hm2。多年平均降水量為958mm，其中超過75%以上的降水量發(fā)生在5—9月(汛期)。

研究選取的灌區(qū)水渠彎道段長度為64m，設計底寬為6m，渠道深度為5.5m，邊坡比降0.2‰，邊坡系數(shù)在1.5～1.75之間，渠道橫斷面為近似等腰梯形。轉彎角度為60°，轉彎半徑在38.2～78.6m之間。

1.2 數(shù)學模型

本次模擬采用的模型為FLUENT，F(xiàn)LUENT模型的控制方程主要為流體力學中經(jīng)典的質量守恒、動量守恒和能量守恒3大方程。在彎道時，還應考慮水流的脈動影響，故還應考慮紊流模型，4個模型的表達式分別如下。

質量守恒：

(1)

式中，ρ—密度，對于水流而言，可以近似當作不可壓縮的流體，因此其密度不變；u，v，w—x，y，z3個方向的水流速度分量。

動量守恒：

(2)

式中，F(xiàn)i—單元體積流體微粒的質量力；Pi—單元面積流體微粒的壓力。

能量方程：

(3)

式中，φ，Γ，S—通用變量，擴散系數(shù)和源相。

紊流模型：

(4)

式中，Gk，Gb—湍動能引起的量；YM—可壓縮流體的脈動。

1.3 計算設置

FLUENT模型在水流三維模擬中最為關鍵的步驟就是網(wǎng)格劃分，模型中網(wǎng)格基本形式為非結構四面體。網(wǎng)格的疏密將會直接影響模擬結果的質量，若網(wǎng)格密度太小，會影響模擬的精度，若密度太大，則會造成計算時長指數(shù)倍增加，而不利于提高研究效率。研究在兼顧模擬效果和保證模擬精度的情況下，模擬在自由水面局部適當?shù)丶哟缶W(wǎng)格密度。共設置63337個節(jié)點，336128個單元四面體。模型橫斷面近似等腰梯形，設置水流以自由出流的方式進出上下游邊界。渠道兩岸邊界條件設為壁面。因渠道襯砌多采用混凝土材料，因此設定其當量粗糙度為1.8mm。

2 結果分析

2.1 縱向水面線分析

對于明渠水流而言，根據(jù)水力學中彎道水流的特性可知，水流在經(jīng)過彎道時，由于慣性力和離心力的相互作用，水流會和水面表層的氣體發(fā)生摻混現(xiàn)象，通過建立模型可以得到彎道處水流的水和氣兩相的空間分布情況，如圖1所示。

圖1 彎道處的水氣兩相分布圖

圖2 不同流量條件下兩岸水面線圖(縱向)

圖2中，橫坐標表示渠道的長度，本次模擬渠道長度為65m，縱坐標表示水位。從凹岸的縱向自由水面線可知，流量為20、30、40m3/s對應的水位表現(xiàn)出一致的變化趨勢，均為先升高到一定的閾值高度之后轉而降低，3種工況下水位的最高點均出現(xiàn)在33m的位置。相應地，凸岸的縱向自由水面線在一致的流量情況下，水位均呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，同樣地，在33m位置達到水位達到最低值。

圖3 彎道處的水面圖

結合凹岸和凸岸的水面線變化情況可知，當水流經(jīng)過彎道時，其水面并非平面，也非平滑過度曲面，而是一個相對扭曲的曲面，如圖3所示。該曲面在剛進入彎道時，凹凸兩岸的水面高差相似，在彎道在33m的位置，水面高差達到最大(凹岸最高，凸岸最低)，之后高差逐漸減少，回歸到初始狀態(tài)，水流流出彎道，如圖4所示。

對于彎道中軸線而言，介于扭曲面的中間，因此其變化相對最小。通過采用傳統(tǒng)計算方法得到計算值與FLUENT模型模擬值進行比較。3種流量條件下，計算值均小于模擬值，但相對誤差較小，基本在5%以內。原因是計算中未能全面考慮河道中糙率分布不同、比降變化，水流本身的粘滯性等因素，而是簡單概化。而對于FLUENT模型，模擬則更加接近水流實際情況。

2.2 橫向水面線分析

針對彎道水流的特點，截取4個不同轉彎角度(10°、30°、45°和彎道出口)時的橫斷面進行水位分析，探究其在橫向的水位變化特征，如圖5所示。

從彎道不同角度橫斷面水位的變化可知，轉彎角度為15°、30°、45° 三處位置，凹岸水位明顯高于凸岸水位，即在河流的橫斷面方向存在一定的橫向水力坡降。這種橫向水力坡降在30°時最大(約為3%)，15°和45°稍小，且2種情況坡降基本上相似。在彎道出口處，橫向水力坡降基本為0，表明此時兩岸的水位基本回歸到原來狀態(tài)。在同一角度下，流量越大，則橫向水力坡降越明顯。從模擬結果看，在流量為20m3/s情況下，彎道橫向水位波動較為明顯，且隨著流量的增大，水位波動變得較小。說明在小流量經(jīng)過彎道時，離心力占據(jù)主導地位，水流水氣摻混現(xiàn)象比較劇烈，因此水面波動較大。而當流量增大時，慣性力占據(jù)主導，水流保持原來的狀態(tài)大于離心力的影響，因此水面反而變得平順。

2.3 橫斷面環(huán)流分析

三維模擬的優(yōu)勢在于除了模擬河流縱向(沿水流方向)和橫向(垂直于水流方向)之外，還可以模擬橫斷面水流的環(huán)流特性(水深方向)。因此，通過分析橫斷面環(huán)流特點，進一步研究不同工況下的橫斷面環(huán)流。

圖4 彎道中軸線對應水位對比

圖5 不同工況下橫向水面線圖

通過模擬15°、30°、45° 三種角度在20、30、40m3/s三種流量工況下水流，可得到9種模擬工況的橫斷面水流環(huán)流，如圖6所示。通過分析可知，不同流量下均表現(xiàn)為在30°轉彎處對應的彎道環(huán)流最為明顯，且河道底部環(huán)流較表層劇烈。環(huán)流方向為，凸岸水流由下向上，凹岸水流由上向下。因此可知，如水流中含有泥沙，則容易表現(xiàn)出凹岸沖刷、凸岸淤積的情況。因此在進行農田水渠建設工程中，在轉彎處應適當加固兩岸渠道邊壁處理，避免過度沖刷和淤積，影響渠道輸水效率。

3 結語

研究以FLUENT模型為基礎對灌區(qū)水渠彎道三維水流運動進行模擬，結論如下。

(1)水流在彎道處，表層自由水面是一個傾向凸岸的扭曲面；在轉彎時，水面會出現(xiàn)橫向水力坡降，且流量越大，橫向坡降越大；在橫斷面上，各種工況都在30°轉彎處出現(xiàn)最為強烈的橫向環(huán)流。若水中含有一定的泥沙，則容易形成凸岸的淤積和凹岸的沖刷，對灌區(qū)工程造成一定的影響。

(2)通過研究，可以為農業(yè)水利工程，尤其是水渠工程彎道段施工建設提供技術指導。建議可在渠道轉彎處加強對凹岸的固化處理。由于模擬中未考慮含沙情況，因此在下一步深入研究中，可以考慮水沙對水渠彎道的綜合影響。