淤積工況下薄壁三角堰流量特征研究

廣彗冰，王 健*，李澤森，曹博召，劉 超，王康宏

?灌溉水源與輸配水系統(tǒng)?

淤積工況下薄壁三角堰流量特征研究

廣彗冰1，王 健1*，李澤森1，曹博召1，劉 超1，王康宏2

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100；2.韓城市水土保持工作站，陜西 韓城 714000）

【目的】探究淤積工況下薄壁三角堰的流量特征?！痉椒ā坷糜?jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT 19.0，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，模擬薄壁三角堰渠道從無(wú)淤積至淤滿過(guò)程中9個(gè)淤積工況下的過(guò)堰流場(chǎng)，分析流場(chǎng)內(nèi)的流量、流速和水位變化，探討渠道流量特征隨淤積厚度的變化情況。【結(jié)果】模擬流量與理論流量、實(shí)測(cè)流量數(shù)值吻合，渠道內(nèi)流速分布符合流速分布一般規(guī)律，證明模擬結(jié)果準(zhǔn)確可靠；當(dāng)理論流量為0.221 0 L/s時(shí)，隨著堰前淤積的加厚，模擬流量與實(shí)測(cè)流量呈無(wú)規(guī)律的波動(dòng)變化，波動(dòng)范圍為理論流量的-0.45%～8.60%；當(dāng)理論流量為0.221 0 L/s時(shí)，對(duì)比無(wú)淤積和淤積工況下的堰前水面曲線，模擬與實(shí)測(cè)曲線均在近堰板處出現(xiàn)不同程度的的水位壅高，高度隨淤積厚度的增加而波動(dòng)上升?！窘Y(jié)論】淤積會(huì)使堰前水位壅高且增大薄壁三角堰過(guò)流能力，而堰流公式中缺少適應(yīng)這種變化的修正參數(shù)，導(dǎo)致生產(chǎn)中所得理論流量偏小。

薄壁三角堰；淤積；計(jì)算流體力學(xué)；流量；流速

0 引言

【研究意義】在水資源短缺背景下，精確計(jì)量并合理調(diào)配灌區(qū)水資源是提高用水效率的重要手段之一。目前，我國(guó)灌區(qū)量水設(shè)備已多達(dá)百種。其中，薄壁三角堰能將微小流量變化通過(guò)顯著水頭變化體現(xiàn)出來(lái)，再結(jié)合堰流公式便可得到較精準(zhǔn)的流量數(shù)據(jù)，從而被廣泛應(yīng)用于溝渠流量監(jiān)測(cè)當(dāng)中。同時(shí)，三角堰也是多種組合堰中的基礎(chǔ)堰型，分析薄壁三角堰對(duì)于改進(jìn)和發(fā)展復(fù)雜堰型有重要的指導(dǎo)意義。而在實(shí)際應(yīng)用中，薄壁三角堰的出現(xiàn)會(huì)改變溝渠當(dāng)中的水流特征，在水土流失區(qū)，堰前易產(chǎn)生泥沙淤積；隨著使用年限的增長(zhǎng)，淤積不斷加深，堰頂高度不斷縮短，逐漸偏離堰流公式的測(cè)流條件。

【研究進(jìn)展】渠道泥沙淤積是灌區(qū)存在的普遍問(wèn)題[1]，許多學(xué)者就此開展了廣泛的研究。在無(wú)壩引水明渠，徐霖玉等[2]通過(guò)物理模擬試驗(yàn)研究了泥沙淤積的原因，主要為上游來(lái)沙量大、渠道底坡較小、缺少有效的排沙系統(tǒng)。高紅艷等[3]在鐙口揚(yáng)水灌區(qū)展開了研究，認(rèn)為渠道淤積受地理環(huán)境影響，糙率大、斷面不合理等會(huì)加重淤積。在引黃灌區(qū)，泥沙淤積問(wèn)題更是屢見不鮮，備受關(guān)注[4-6]。同時(shí)，Maha[7]研究發(fā)現(xiàn)，隨著沉積深度的增加，流動(dòng)特征D隨之增加，流量系數(shù)較水平河床增加30%～46%。總體來(lái)說(shuō)，渠道淤積在灌區(qū)普遍存在，成因多樣，且會(huì)在一定程度上影響測(cè)流精度。

堰流研究手段通常有公式推算法和直接測(cè)定法，但由于理論計(jì)算具有諸多限制條件，野外流速測(cè)量存在較多風(fēng)險(xiǎn)與困難，計(jì)算流體力學(xué)隨著科技發(fā)展越來(lái)越受到青睞。許多研究者采用數(shù)值模擬[8-10]來(lái)研究堰流，證明在FLUENT軟件中采用合適的湍流模型與氣液兩相流模型能夠較準(zhǔn)確的解出泄流流場(chǎng)的各種水力參數(shù)，是一種行之有效的研究方法。柳雙環(huán)等[11]利用RNG k-ε模型分析紊流，基于VOF法追蹤自由表面，對(duì)小型U形渠道三角剖面堰進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)比發(fā)現(xiàn)流量、水位模擬值與實(shí)際值相對(duì)誤差較小，證實(shí)所用方法可以快速可靠地模擬水流狀況。徐君玲等[12]采用帶自由表面的k-ε模型，并使用自定義UDF函數(shù)處理入口條件，對(duì)整個(gè)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果表明模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)吻合良好，說(shuō)明所選模型能夠準(zhǔn)確模擬矩形薄壁量水堰的流場(chǎng)特性。魏文禮等[13]通過(guò)對(duì)比理論推導(dǎo)所得的梯型薄壁堰堰流公式與利用RNG k-ε模型和VOF模型解出的流量計(jì)算式，發(fā)現(xiàn)二者流量值與堰流特性結(jié)果基本一致，證明模擬方法準(zhǔn)確可靠。此外，數(shù)值模擬方法應(yīng)用于其他模型[14-16]的情況均為本研究數(shù)值模擬模型的選取積累了經(jīng)驗(yàn)，并提供了可行性保障。

【切入點(diǎn)】當(dāng)前，大量研究集中在渠道淤積的成因、減淤措施和無(wú)淤積時(shí)堰流特征的分析，而針對(duì)淤積狀態(tài)下薄壁三角堰測(cè)流問(wèn)題的研究較少。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】因此，本研究采用數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)薄壁三角堰渠道從無(wú)淤積至淤滿過(guò)程中9個(gè)淤積工況下的過(guò)堰流場(chǎng)進(jìn)行模擬，定量分析淤積對(duì)流量觀測(cè)產(chǎn)生的影響，以及淤積下堰流特征的變化，為灌溉渠系和河溝流量精確測(cè)定提供依據(jù)，促進(jìn)灌區(qū)水資源管理科學(xué)化。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)水工實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，利用特制水槽進(jìn)行流量試驗(yàn)。具體裝置由水泵、DK800-6玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、水槽與水流收集箱構(gòu)成，如圖1所示。水槽高0.3 m，長(zhǎng)0.9 m，由薄鋼板制成，分為平水柵、輸水渠道以及薄壁三角堰3部分。其中，平水柵長(zhǎng)0.1 m，內(nèi)接進(jìn)水管；輸水渠道長(zhǎng)0.8 m，內(nèi)部以堰板為起點(diǎn)，向上游每隔0.05 m劃分一個(gè)過(guò)水?dāng)嗝?，共?jì)11個(gè)，分別命名為1～11號(hào)，如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意

圖2 過(guò)水?dāng)嗝鏄?biāo)號(hào)示意

在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，薄壁三角堰的尺寸根據(jù)當(dāng)?shù)厍赖膶捝钋闆r進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，其中直角堰的應(yīng)用最為廣泛。因此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)堰板尺寸為高0.3 m，寬0.3 m，厚度2 mm，缺口形狀為一個(gè)斜邊邊長(zhǎng)0.2 m的等腰直角三角形，居堰板上邊緣中央。渠道內(nèi)的淤積厚度受使用時(shí)長(zhǎng)、當(dāng)?shù)厮亮魇顩r等因素的影響，各渠道內(nèi)不等。因此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)渠道內(nèi)淤積變化過(guò)程為自渠道無(wú)淤積開始，淤積厚度以2.5 cm為步長(zhǎng)逐級(jí)加深直至渠道淤滿，即劃分淤積厚度為0.0、2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0、17.5、20.0 cm共9個(gè)淤積工況，堰板尺寸與淤積工況劃分情況如圖3所示。

圖3 淤積劃分示意

試驗(yàn)利用攪拌土和水泥定型成尺寸合適的塊體，浸潤(rùn)后置于水槽中來(lái)模擬淤積。具體操作時(shí)先根據(jù)設(shè)定水深在槽中放水，當(dāng)水深達(dá)到設(shè)定值且液面穩(wěn)定后，由玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀取流量，精確為0.01 L/s；水深利用標(biāo)尺為0.40 m的水位測(cè)針讀取，估讀至0.000 1 m，每個(gè)斷面測(cè)量3次，取平均值作為最終水深。試驗(yàn)標(biāo)號(hào)和過(guò)程如圖4、圖5所示。

圖4 試驗(yàn)標(biāo)號(hào)

圖5 試驗(yàn)過(guò)程

1.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)《水工建筑物與堰槽測(cè)流規(guī)范（SL 537—2011）》[17]（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》），當(dāng)薄壁三角堰的堰口角在20°～100°之間時(shí)，根據(jù)水位計(jì)算過(guò)堰流量的公式為：

式中：為流量（m3/s）；D為流量系數(shù)，隨水頭稍有變化，可視為常數(shù)，本研究中堰頂高與渠道行進(jìn)寬度的比值在0.08～0.67范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)有效水深與堰頂高的比值在0.15～1.20范圍內(nèi)，通過(guò)查閱《規(guī)范》中流量系數(shù)圖可知，D值可取為0.60；為堰頂角（°）；g為重力加速度，取值為9.81 m/s2；e為有效水位（m）；為實(shí)測(cè)堰上水頭（m）；h為黏滯力和表面張力綜合影響的校正值，根據(jù)《規(guī)范》可知，在=90°時(shí)，h為0.000 85 m。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

使用ICEM 19.0構(gòu)建渠道的三維模型并劃分網(wǎng)格。軸、軸、軸分別表示展向、垂向、流向。三維模型主要由上游渠道、薄壁三角堰以及下游渠道組成。無(wú)淤積情況下的計(jì)算域?yàn)檎瓜?.3 m，垂向0.4 m，流向1.4 m，建模結(jié)果如圖6所示。淤積厚度分別為2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0、17.5、20.0 cm時(shí)，計(jì)算域?qū)Ρ葻o(wú)淤積時(shí)上游渠道渠底抬高，即自坐標(biāo)軸零點(diǎn)起減少展向0.3 m、流向0.9 m，垂向等于淤積厚度的矩形區(qū)域，淤積為10.0 cm時(shí)的建模結(jié)果如圖7所示。

圖6 無(wú)淤積情況下渠道的三維模型

圖7 淤積10.0 cm情況下渠道的三維模型

計(jì)算域的網(wǎng)格劃分采用以六面體為基本單元的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[18]，對(duì)堰口的三角形區(qū)域進(jìn)行Y型切分。驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性時(shí)，在整個(gè)計(jì)算域使用統(tǒng)一的網(wǎng)格大小，依次選取0.005、0.010、0.015、0.020、0.025 m五種尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用Patch功能測(cè)試網(wǎng)格大小對(duì)模擬結(jié)果的影響，采取水的體積分?jǐn)?shù)為0.5時(shí)的結(jié)果作為水面線的位置，模擬結(jié)果如表1所示。

表1 各網(wǎng)格尺寸的模擬結(jié)果

由表1可知，水位模擬結(jié)果的精度隨網(wǎng)格尺寸的增加相對(duì)誤差逐漸增大，當(dāng)網(wǎng)格尺寸為0.005 m時(shí)，相對(duì)誤差僅有0.67%。當(dāng)相對(duì)誤差小于3%時(shí)，認(rèn)為模擬誤差可忽略。由于薄壁三角堰主要利用V型缺口進(jìn)行測(cè)流，需重點(diǎn)關(guān)注過(guò)堰水流的水面高度與流量變化情況，因此綜合考慮精度與時(shí)長(zhǎng)，在計(jì)算域=0.00～0.30 m，=0.00～0.30 m，=0.00～1.05 m區(qū)域及堰板處，選取尺寸0.005 m進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而后網(wǎng)格尺寸以1.1的增長(zhǎng)倍率向四周增大至0.010 m。無(wú)淤積情況下的網(wǎng)格總數(shù)約為152萬(wàn)，劃分情況如圖8所示。

圖8 網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件設(shè)置

求解器中設(shè)置瞬態(tài)時(shí)間模型，操作條件設(shè)置中保持默認(rèn)的101 325 Pa大氣壓強(qiáng)，再添加垂向重力加速度值9.81 m/s2。邊界條件設(shè)定中將空氣入口定義為只有空氣進(jìn)入的壓強(qiáng)進(jìn)口（PRESSURE INLET）；水流入口定義為只有水流進(jìn)入的流速入口（VELOCITY INLET），隨著淤積的加深，增大入口流速以保證輸入流量基本穩(wěn)定，流速具體值根據(jù)堰流公式與明渠流公式求得，數(shù)值如表2所示。頂部是與大氣聯(lián)通的開放面，定義為只有空氣溢出的壓力出口（PRESSURE OUTLET）；渠道出口定義為無(wú)回流的無(wú)壓出流（PRESSURE OUTLET）。堰板、渠底與邊壁定義為無(wú)滑移的固體邊壁（WALL），采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理水流黏性底層[19]。

表2 流速分配情況

2.3 數(shù)學(xué)模型設(shè)定

本研究選用RNG k-ε模型分析流體介質(zhì)之間動(dòng)量和能量的變化，RNG k-ε模型是在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的基礎(chǔ)上對(duì)紊動(dòng)能耗散率方程進(jìn)行了修正，在其源項(xiàng)中加入了一個(gè)系數(shù)來(lái)反映主流時(shí)均應(yīng)變率，可以更好處理對(duì)流線彎曲程度較大的流動(dòng)，其模型運(yùn)輸方程詳見文獻(xiàn)[20]。

采用VOF多相流模型迭代追蹤水氣交界面[21]，并設(shè)定空氣與水的表面張力系數(shù)為0.072 N/m。VOF的基本思想是定義一個(gè)表示計(jì)算區(qū)域內(nèi)流體體積與計(jì)算區(qū)域總體積的相對(duì)比例的體積率函數(shù)W=(x,t)=1。對(duì)于某一具體計(jì)算單元而言，當(dāng)W=(x,t)=1時(shí)，表示單元完全被液體充滿；當(dāng)W=(x,t)=0表示一個(gè)空單元；若W=(x,t)=1∈(0,1)，則表示液體只充滿單元的一部分。描述W的控制方程詳見文獻(xiàn)[21]。

通過(guò)有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，使用SIMPLEC算法耦合壓力項(xiàng)和速度項(xiàng)，采用Body Force Weighted選項(xiàng)，對(duì)動(dòng)量等的離散均采用二階迎風(fēng)格式，由此獲得更高的計(jì)算精度[22]。流場(chǎng)初始化時(shí)，設(shè)定上游渠道在流動(dòng)開始前已存在0.3×0.2×0.9（展向×垂向×流向）m3的水，其余流場(chǎng)空間充滿氣體。計(jì)算步長(zhǎng)取0.005 s，設(shè)置進(jìn)口處與堰口處的流量監(jiān)測(cè)，二者流量差小于3%時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂，水流呈穩(wěn)定狀態(tài)[12]。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型驗(yàn)證

設(shè)定上游堰前水深分別為0.030 0、0.032 0、0.034 0、0.036 0、0.038 0 m，運(yùn)算求解得相應(yīng)模擬堰前水面曲線與模擬流量。通過(guò)模擬水面曲線可得有效水深，帶入堰流公式得到理論流量。模擬流量與理論流量結(jié)果見表3。由表3可知，隨著有效水深的增大，模擬流量與理論流量均呈指數(shù)增大趨勢(shì)，且在同一堰頂水頭下，模擬流量均略大于理論流量，但平均相對(duì)誤差僅為0.66%，最大相對(duì)誤差為1.09%，二者基本吻合。

表3 模擬流量與理論流量對(duì)比

由于控制模擬水深與實(shí)測(cè)水深完全一致具有一定難度，因此，二者的驗(yàn)證采取對(duì)比其流量-水深的線性擬合方程完成，具體結(jié)果如圖9所示。模擬流量趨勢(shì)線的斜率為21.775，實(shí)測(cè)流量趨勢(shì)線的斜率為20.923，二者相近，表明變化趨勢(shì)基本一致，且2條趨勢(shì)線截距差為0.051，在位置上也十分靠近。隨流量的增大，二者數(shù)值誤差不斷減小，證明模擬流量與實(shí)測(cè)流量結(jié)果吻合良好。通過(guò)理論流量與實(shí)測(cè)流量的雙重驗(yàn)證，證明本研究針對(duì)薄壁三角堰渠道采用的數(shù)值模擬方法合理，可用于進(jìn)一步的計(jì)算分析。

圖9 模擬流量與實(shí)測(cè)流量關(guān)系

3.2 過(guò)堰水流的流速分布規(guī)律

取薄壁三角堰渠道內(nèi)的數(shù)值模擬結(jié)果，自入口開始，在上游渠道選取5個(gè)典型斷面（圖10），即在-平面=0.15 m、=0.30 m、=0.45 m、=0.60 m、=0.75 m處做以速度為變量的contour圖（圖11）。同時(shí)取-平面=0.90 m處的流速分布圖，得到堰板處的流速分布圖（圖12）。

圖10 橫斷面位置

由圖11可知，水流流速沿軸方向?qū)ΨQ分布，最大值出現(xiàn)在水氣交界面位置，且流速隨水流從邊壁向中心靠近的過(guò)程中逐漸增大。隨著水流在行進(jìn)方向上的不斷推移，邊壁緩流區(qū)的范圍也不斷縮小，這是由于模擬流動(dòng)開始前，上游渠道設(shè)定已存在0.3×0.2×0.9 m3的水，而后流速受邊壁影響逐漸調(diào)整為更接近實(shí)際情況的分布狀態(tài)，符合渠道水流行進(jìn)規(guī)律。由圖12可知，水流在經(jīng)過(guò)堰板時(shí)仍舊表現(xiàn)為水體自由表面處流速最大。此外，因水流受到堰板的阻擋與導(dǎo)流，產(chǎn)生一種豎窄作用使得中心部分水流流速增大，呈現(xiàn)出以堰口為中心，流速環(huán)狀向外逐漸減小的變化過(guò)程。

圖11 X-Y平面（展向）典型橫斷面流速分布

圖12 堰板處流速分布

3.3 不同淤積工況下的流量變化

設(shè)定堰前有效水深約為0.030 0 m，取模擬流量、實(shí)測(cè)流量與理論流量隨淤積厚度的變化情況繪制于圖13。隨淤積厚度的增長(zhǎng)，模擬流量與實(shí)測(cè)流量都出現(xiàn)了無(wú)序變化，而理論流量恒定為0.221 0 L/s，未隨淤積的變化產(chǎn)生適應(yīng)性改變，且均小于模擬流量，75%情況下小于實(shí)測(cè)流量。

圖13 各淤積工況下的流量變化

將模擬流量、實(shí)測(cè)流量與理論流量的相對(duì)誤差列于表4。淤積厚度為0.0 cm時(shí)，模擬流量、實(shí)測(cè)流量與理論流量的相對(duì)誤差分別為0.23%、0.45%，數(shù)值較為吻合；當(dāng)淤積厚度為2.5～20.0 cm時(shí)，不同淤積工況下模擬流量與理論流量出現(xiàn)最大為5.88%的相對(duì)誤差，且平均相對(duì)誤差較表3中無(wú)淤積時(shí)兩者的平均相對(duì)誤差由0.66%增長(zhǎng)至4.10%；不同淤積工況下實(shí)測(cè)流量與理論流量出現(xiàn)最大為8.60%的相對(duì)誤差，且其平均相對(duì)誤差為3.73%?？梢姡俜e會(huì)使薄壁三角堰理論流量值偏小，存在約-0.45%～8.60%的誤差。

3.4 過(guò)堰水流的水位變化特征

當(dāng)理論流量為0.221 0 L/s時(shí)，取各淤積工況下的數(shù)值模擬結(jié)果，做-平面=0.15 m的切片處理，在此面上生成水的體積分?jǐn)?shù)為0.5的等值線圖，得到各淤積工況下過(guò)堰水流的模擬水位變化情況。將各淤積工況下的實(shí)測(cè)堰前水位與模擬堰前水位繪制于坐標(biāo)軸中（圖14）。各淤積工況下模擬堰前水面曲線走勢(shì)較為一致，均表現(xiàn)為初始水面平直，靠近堰板時(shí)出現(xiàn)不同程度的水位壅高，高度隨淤積厚度的增加波動(dòng)上升。而后受堰板垂向收縮的作用，以一條光滑的降落曲線跌落。實(shí)測(cè)堰前水面曲線由于人工測(cè)量誤差，存在些許波動(dòng)，但水位也在靠近堰板時(shí)出現(xiàn)不同程度的抬升，與模擬堰前水面曲線的特征基本一致。證明淤積會(huì)導(dǎo)致渠道水流在靠近薄壁三角堰時(shí)產(chǎn)生水位壅高，從而影響渠道過(guò)流能力，導(dǎo)致理論流量偏小。

表4 理論流量為0.221 0 L/s時(shí)不同淤積工況下實(shí)測(cè)流量、模擬流量與理論流量的相對(duì)誤差

圖14 理論流量為0.221 0 L/s時(shí)各淤積工況下的模擬與實(shí)測(cè)堰前水面曲線

4 討論

數(shù)值模擬方法的選取是影響試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素。根據(jù)前人研究經(jīng)驗(yàn)，采用RNG k-ε模型與VOF模型模擬薄壁三角堰渠道水流，流量模擬結(jié)果較為可靠，實(shí)測(cè)流量略大于模擬流量的原因可能為實(shí)際測(cè)流渠道中存在一定的沿程損失，而模擬中對(duì)壁面做了簡(jiǎn)化處理，沿程損失可以忽略不計(jì)。具體分析如下：總水頭由位置水頭、流速水頭和沿程損失構(gòu)成，模擬水流沿程損失忽略不計(jì)，堰板前兩者總水頭一致，若滿足水面高度相同的條件，則入水口處模擬平均流速大于實(shí)測(cè)平均流速，根據(jù)明渠流公式，可知實(shí)測(cè)流量略大于模擬流量。

此外，流速分布符合渠道水流行進(jìn)規(guī)律，證明水力學(xué)特征模擬結(jié)果無(wú)誤。但由于流動(dòng)開始前在上游渠道設(shè)定已存在0.3×0.2×0.9 m3的水，導(dǎo)致入口斷面流速分布呈現(xiàn)為上下差異較大且過(guò)渡段較短的分布情況，在流速逐漸調(diào)整為符合實(shí)際情況的分布后，從能量的角度分析，入口斷面處流速動(dòng)能會(huì)略小于調(diào)整后流速分布動(dòng)能，忽略短距離內(nèi)的沿程損失，即總水頭不變的情況下，入口處水深大于調(diào)整后水深，表現(xiàn)為隨著水流的行進(jìn)，水面出現(xiàn)一定程度的降低。因此，在條件允許的情況下，最好采用UDF方法在入口處將流速設(shè)置為符合實(shí)際情況的不均勻分布，以避免這樣的情況。

通過(guò)分析同一設(shè)定水深，不同淤積工況下理論流量、模擬流量與實(shí)測(cè)流量的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著渠道內(nèi)淤積厚度的增加，理論流量數(shù)值恒定，而模擬流量和實(shí)測(cè)流量出現(xiàn)無(wú)規(guī)律的波動(dòng)變化，其中模擬流量均表現(xiàn)為偏大，實(shí)測(cè)流量在75%的淤積情況下偏大。考慮到人工測(cè)量會(huì)存在一定的誤差，因此有一定把握可以認(rèn)為，淤積的存在會(huì)使薄壁三角堰過(guò)流能力增大。其原因可能是：當(dāng)淤積存在且厚度小于等于堰頂高時(shí)，淤積對(duì)渠底起到了等同于抬升的作用，則在堰上水深不變時(shí)，上游渠道的過(guò)流區(qū)域縮小，水的流速加快，導(dǎo)致堰口處過(guò)堰流量增大。在理論公式中，雖然D值會(huì)根據(jù)堰頂高與渠道行進(jìn)寬度的比值和有效水深與堰頂高的比值的變化而變化，但以本文選取的情況為例，其變化程度無(wú)法適應(yīng)淤積造成的影響，使得測(cè)流結(jié)果偏小。在之后的研究中，可以就淤積情況下流量公式的修正系數(shù)進(jìn)行更深入的研究。

當(dāng)理論流量相同時(shí)，比較各淤積工況下模擬與實(shí)測(cè)堰前水面曲線，發(fā)現(xiàn)薄壁三角堰上游渠道遠(yuǎn)堰板處水面線平直，近堰板處出現(xiàn)一定程度的水位壅高。分析其主要原因?yàn)椋河俜e擠占了堰板前兩側(cè)與底部受阻擋和導(dǎo)流的水流的空間，加之流量的增大使得從堰口集中涌出的水流變得擁擠，為了緩解這種擁擠，因而發(fā)生了堰前水位的升高。此外，模擬流量與實(shí)測(cè)流量基本一致的情況下，實(shí)測(cè)水流的動(dòng)能大于模擬水流的動(dòng)能，因而實(shí)測(cè)水面線略低于模擬水面線。

5 結(jié)論

實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)與模擬流速分布規(guī)律表明，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT19.0中的RNG k-ε模型與VOF模型模擬薄壁三角堰渠道水流是準(zhǔn)確可靠的。分析試驗(yàn)中所得的不同淤積工況下的模擬流量和實(shí)測(cè)流量，以及對(duì)應(yīng)的堰前水面曲線得知，淤積會(huì)增大薄壁三角堰過(guò)流能力，并使堰前產(chǎn)生水位壅高，而堰流公式中缺少適應(yīng)這種變化的修正參數(shù)，導(dǎo)致生產(chǎn)中所得理論流量偏小。

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Performance of Triangular Crested Weir under Impact of Sediment Deposition

GUANG Huibing1, WANG Jian1*, LI Zesen1, CAO Bozhao1, LIU Chao1, WANG Kanghong2

(1. Northwest Agriculture and Forest University, Yangling 712100, China; 2. Hancheng District Soil and Water Conservation Workstation, Hancheng 714000, China)

【Objective】Weir is a device to measure water flow in open channels. Its accuracy and robustness depend on many factors. In this paper, we studied the performance of the triangular crested weir as impacted by sediment deposition in open channels.【Method】The study was based on computational fluid dynamic modelling. We simulated water flow under nine conditions ranging from no sediment deposition to full sediment deposition using the software FLUENT 19.0. The simulated results were verified against experimental measurements.【Result】①The simulation results were reliable and robust as comparison with experimental data showed that the simulated water flow rate and velocity distribution in the channels agreed well with those experimentally measured. ②When the theoretical flow rate was 0.221 0 L/s, the simulated and measured flow rates fluctuated erratically as the thickness of the sediment deposition increased, and the simulated flow water differed from the theoretical one with the difference varying from -0.45% to 8.60%. ③When the theoretical flow water was 0.221 0 L/s, comparison of the free-surface profiles with and without sediment deposition showed that the simulated and measured profiles occurred at different degrees of water level accumulation near the weir plate; the height of water level increased erratically with the increase in sediment deposition.【Conclusion】Comparison with experimental data showed that the simulation results are accurate and reliable. The water level in front of the weir rises because of the sediment deposition, and the flow capacity of the weir increases as a result. However, as the wire traditional formula does not have a correction term to account for sediment deposition, the flow rate estimated is smaller than the real ones.

triangular sharp-crested weir; deposition; computational fluid dynamics; flow rate; velocity

廣彗冰, 王健, 李澤森, 等. 淤積工況下薄壁三角堰流量特征研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(10): 139-146.

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S277.7

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021651

1672 - 3317（2022）10 - 0139 - 08

2022-01-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41771308）

廣彗冰（1999-），女。碩士研究生，主要從事土壤侵蝕研究。E-mail: ghice@nwsuaf.edu.cn.

王健（1973-），男。教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤侵蝕與流域管理研究。E-mail: wangjian@nwsuaf.edu.cn

責(zé)任編輯：韓 洋