急彎段閘孔出流的彎道水流特性研究

郭紅民1,2,覃閃1,蔡黎明1,曹光春1,張?zhí)锾?,胡文兵1

(1. 三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002； 2. 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北宜昌443002)

摘要：在河彎處修建水工建筑物時，研究彎道水流特性對水工建筑物布置的影響十分重要。采用RNC κ-ε紊流模型對急彎段閘孔出流的彎道水流進行了三維數(shù)值模擬。通過模擬計算，比較分析了急彎段不同閘位、不同流量條件下閘孔過流時的流速分布、紊流動能、壓強分布和環(huán)流等相關(guān)水流特性與變化規(guī)律。分析研究結(jié)果表明，閘壩位于彎道上游時，彎道對閘壩過流的影響最小，但需對閘壩下流彎道凸岸岸坡附近區(qū)域采取一定的防護措施；閘壩布置在彎道中游時，過閘水流受彎道的影響最小，閘室水流的穩(wěn)定性、閘門的工作安全以及閘墩的空蝕破壞都是實際工程中需要注意的重點。數(shù)值模擬驗證與物理模型試驗結(jié)果吻合較好，計算精度較高，能夠滿足相關(guān)計算研究要求。

關(guān)鍵詞：急彎段； 閘孔出流； 彎道水流； 水流特性； 數(shù)值模擬

中圖分類號：TV135

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-640X(2015)03-0024-07

Abstract：Owing to the geologyical, topographical and hydrological factors, it is inevitable to build hydraulic structures in the river bend. So it is very important to carry out studies of influences given by the bendway flow on the layout of the hydraulic structures. The three dimensional numerical simulation of the bendway flow outflowing from the sluice orifices located on the rapid river bend has been made by using the RNC κ-ε turbulent model. With the aid of simulation calculation, a comparative analysis is made of the flow characteristics and variation law related to flow velocity distribution, turbulent kinetic energy and pressure distribution as well as circulation flow passing through the sluice under the conditions of different gate openings and different flow discharges. Analysis results show that as the dam sluice is located on the upper river bend, the influence given by the sluice on the flow passing through the dam sluice is the minimal, but some prevention measures should be taken for protecting the area close to the convex bank slope of the lower outlet bend against erosion; and the influence given by the river bend on the flow passing through the sluice is the maximal. Therefore, the stability of the flow flowing through the sluice chamber, the gate safety operation and the cavitation damage to the piers should be taken as the key points in consideration and to which more attention should be paid in practical engineering. The numerical simulation results, which are in good agreement with the results obtained from the physical model tests, can meet the requirements of the calculation studies.

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.03.005

收稿日期：2014-10-30

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51178122)

作者簡介：張麗娟(1969—)， 女， 遼寧遼陽人， 副教授， 主要從事軟土工程性質(zhì)、邊坡工程， 樁基礎(chǔ)等方面的教學(xué)與科研工作。E-mail: zhanglijuan1969@126.com

由于地質(zhì)、地形和水文等因素的要求，水利樞紐工程有時不可避免要修建在河道彎道處，彎道水流是渠道和河道中很常見的一種水流運動現(xiàn)象，并且大多都是紊流流動。對彎道水流特性的研究，張紅武等[1]在1984—1986年通過對4個河彎概化模型進行了水流運動規(guī)律的研究，得到了形式簡單且適用天然河彎的環(huán)流流速垂線分布計算式；徐桂英[2-3]通過對閘前彎道建立物理模型進行了一系列的試驗研究，得到了彎道水流流速分布和其他相關(guān)特性的規(guī)律；H. J. Vriend[4]對U型矩形彎道水流的各項特性作了詳細(xì)的試驗研究；劉曾美等[5]導(dǎo)出了彎道緩流的縱向和橫向水面曲線計算式，提出了縱向水面線的簡易計算方法；C. C. Fung 等[6]更是提出一種算法，可以自動識別矩形渠道內(nèi)橫向環(huán)流的存在和位置；趙小娥等[7]通過試驗研究了在U形彎道上建閘后水流運動特性的變化。近年來，還有一些學(xué)者則通過數(shù)值模擬計算來作為理論和試驗研究的補充，譚柱林等[8]有效預(yù)測了明渠180°彎道水流水面高度的變化影響范圍及水面橫比降的主要范圍并分析了不同水深的平面流場和典型斷面彎道環(huán)流分布；鐘杰[9]研究了彎道上低水頭攔河閘閘前的水流特性；R. D. Moser等[10-11]對小曲率低雷諾數(shù)彎曲河槽中的水流流動進行了直接數(shù)值模擬。對于強曲率的急彎河道，由于水流呈較強的三維特性，彎道環(huán)流發(fā)展充分，其在不同流量下對處于不同彎道位置的水工建筑物布置的影響，目前這方面研究尚不多見。本文利用Flow-3D軟件，采用RNG 紊流模型，對急彎段閘孔出流的彎道水流進行了三維數(shù)值模擬，比較研究了急彎段不同閘位條件下閘孔過流時水流特性和變化規(guī)律，可為類似設(shè)計提供參考。

1數(shù)學(xué)模型

1.1控制方程

(1)

(2)

式中：ρ為體積分?jǐn)?shù)平均的密度;μ為分子黏性系數(shù)；p為壓強；μt為紊流黏性系數(shù)，μt=ρCμκ2/ε，其中Cμ為經(jīng)驗常數(shù)，Cμ=0.084 5; μ+μt為廣義黏性系數(shù)；ui,uj分別為流速矢量在xi,xj方向的分量。

1.2紊流模型

RNGκ-ε模型是基于重整化群(Renormalization Group)的理論提出來的，經(jīng)過了改進和實用化處理[12]，形式上類似于標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，但在計算功能上強于標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型， RNGκ-ε模型考慮了旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，因此也提高了強旋轉(zhuǎn)流動計算精度，模型中包含了計算湍流Prandtl數(shù)的解析公式，并且對近壁區(qū)進行適當(dāng)處理后可以計算低雷諾數(shù)效應(yīng)。

(3)

(4)

1.3數(shù)值方法和自由表面的確定

采用有限差分格式對上述控制方程組進行差分得到線性方程組，再采用廣義極小殘差算法(GMRES)對得到的線性方程組進行迭代求解。目前，大部分處理水氣兩相流的自由表面都是采用流體體積法(Volume of Fluid VOF)[13]，該方法往往會增加計算時間或使最終計算結(jié)果有較大偏差。本文對自由表面的描述采用TruVOF方法，該方法不考慮只含氣體的控制單元，只計算含有液體單元，因此很大程度上減少了模型收斂所需的時間，對自由液面描述也更為準(zhǔn)確。TruVOF法對流體界面的三維重構(gòu)控制方程[14]為：

(5)

2幾何模型和計算驗證

2.1幾何模型及網(wǎng)格劃分

圖1　彎道幾何模型(單位： cm) Fig.1 A geometrical model for bend (unit： cm)

彎道幾何模型構(gòu)造分為水槽和閘壩兩部分。彎道水槽底寬60 cm，邊坡系數(shù)m為0.5，水槽底面坡度為0.005，水槽彎道轉(zhuǎn)彎角度為90°，中心轉(zhuǎn)彎半徑為93 cm。閘壩軸線位置共布置3處，閘位1在彎道起點，閘位2在彎道轉(zhuǎn)彎45°處，閘位3在彎道終點，閘壩皆為5孔平底閘孔，閘底板與水槽底等高，閘壩邊墩上下游均以直立面與水槽邊坡相接。驗證流量1.1×107cm3/s，由于流量較小且驗證試驗閘門并未全開，驗證模型的彎道水流形態(tài)為緩流，各驗證斷面留3個測壓孔，用測壓管測每個斷面上凸、凹岸邊和中心線水位，矩形堰測流量，光電流速儀測垂線縱向流速，采用五點法計算平均流速，測量誤差0.01 cm。計算流量1為3.3×107cm3/s，計算流量2為5.5×107cm3/s，計算流量3為7.3×107cm3/s，計算流量下閘孔內(nèi)的水流形態(tài)均為急流，相對緩流而言，閘孔內(nèi)的水流更加不平衡，水流對閘壩的沖擊和空蝕都會產(chǎn)生不可忽視的危害，且對下游水流流態(tài)也會有較大影響。模型布置如圖1。

本文采用FAVOR法(Fractional Area/V￣o￣l￣u￣m￣e￣ Obstacle Representation)定義幾何體和劃分網(wǎng)格，采用多區(qū)塊結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格(Multi-Block Grids)進行處理，通過連接式(Linked block)或者巢狀式(Nested block)區(qū)塊建立網(wǎng)格，有效解決傳統(tǒng)單區(qū)塊結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格為求模型細(xì)化而大量增加網(wǎng)格數(shù)量的問題。本文網(wǎng)格的劃分采用兩區(qū)塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，分別包含上游河道及閘壩和下游河道，通過連接式區(qū)塊建立網(wǎng)格，網(wǎng)格為均一網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸1 cm。

上游進水口設(shè)置為流量邊界條件，下游出口設(shè)定為自由出流，河道底部及左右側(cè)壁均選擇固壁邊界；渠道頂部空氣入口設(shè)定為對稱邊界，為零流動區(qū)域，且在邊界上無需計算剪應(yīng)力，在該邊界上不會產(chǎn)生對流或者擴散通量。

2.2模型驗證

驗證計算選擇前述驗證流量和多個驗證閘位進行，結(jié)果代表以如圖1所示的驗證閘位為例，閘孔開度e分別為1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5和4.0 cm。

2.2.1流速和主流線驗證驗證閘位、驗證流量下流速和主流線驗證計算結(jié)果見表1，可見，計算結(jié)果與模型試驗基本吻合，誤差均小于5%。

表1　斷面流速和主流線偏離系數(shù)

2.2.2橫比降和縱比降驗證彎頂處的橫比降與閘門相對開度之間的關(guān)系驗證見圖2。由圖2可見，數(shù)值計算值和理論計算值符合文獻[2]相關(guān)線性要求。閘孔開度e為3.5 cm時進行縱比降的驗證(圖3)，可見數(shù)值計算的結(jié)果與模型試驗實測值基本一致。驗證計算表明，所建立的三維數(shù)值計算模型能夠滿足相關(guān)計算研究要求，計算精度較高。

圖2　最大橫降比和閘門開度與水深比關(guān)系 Fig.2 Relationships between the maximum transverse gradient and the ratio of gate opening to depth

圖3　閘門開度3.5 cm的彎道處水深 Fig.3 Depth at bend with gate opening 3.5 cm

3計算成果分析

3.1流速分布

不同計算流量下不同閘位的閘孔過流時的平面流速矢量分布云圖見圖4。閘位1時，彎道位于閘壩下游，閘孔進流及閘室過流受彎道水流的影響不大，進閘水流方向與閘墩基本平行，閘孔上游及閘室內(nèi)、兩側(cè)的流速分布基本均勻?qū)ΨQ，閘室內(nèi)平均流速約130 cm/s；水流流出閘孔后受彎道影響，流速重新分布，凸岸流速變大，凹岸流速變小，其差值隨流量增大而增大，最大流速比可達(dá)2.0～2.6。閘位2時，閘壩處于彎道正中，閘孔進出流均受彎道水流影響，各流量條件下，主流在進閘前與閘墩呈40°～45°的夾角；過閘水流在閘室內(nèi)和出閘后的流速分布仍受彎道影響，閘室內(nèi)平均流速約為閘位1時室內(nèi)平均流速的90%，閘孔下游流速分布仍呈現(xiàn)凸岸大，凹岸小的情況，其流速比約為1.3～1.6。閘位3時，彎道位于閘壩上游，主流在進閘時與閘墩呈20°～25°夾角，較閘位2時主流與閘墩夾角有較大減小；水流在進入各閘孔時與閘墩夾角的規(guī)律為越靠近凹岸夾角越小，越靠近凸岸夾角越大，變化幅度約在5°～55°，閘室內(nèi)平均流速約為閘位1時室內(nèi)平均流速的80%；閘壩下游渠段雖已為直段，但流速分布仍受前段彎道的影響，呈現(xiàn)凹岸流速大，凸岸流速小的現(xiàn)象，其流速比值約為1.1~1.2。

圖4　不同閘位的平面流速分布(單位：cm/s) Fig.4 Distribution of plane velocities (unit：cm/s)

3.2湍流動能分布

計算流量3時不同閘位的閘孔過流時的平面湍流動能分布見圖5。對于同一閘位，不同流量時的湍流動能分布規(guī)律基本相同，各部位湍流動能隨流量增大而增大。閘位1時，閘室內(nèi)湍流動能分布均勻且對稱，最大湍流動能約150～190 cm2/s2，閘壩出流下游的湍流動能核心區(qū)主要位于凸岸岸坡附近區(qū)域，該區(qū)域的湍流動能約580～690 cm2/s2。閘位2時，湍流動能核心區(qū)主要分布在閘室內(nèi)的閘墩邊墩附近和閘孔下游凸岸處，閘室內(nèi)的最大湍流動能約為閘位1時閘室內(nèi)最大湍流動能的1.9倍，閘壩下游凸岸區(qū)域的湍流動能為370～460 cm2/s2。閘位3時湍流動能核心區(qū)主要分布在閘孔下游，閘室內(nèi)的最大湍流動能在閘室偏下游處，約為閘位1時閘室內(nèi)最大湍流動能的1.1倍，而該閘位時閘孔下游的湍流動能明顯小于閘位1和閘位2時，該區(qū)域范圍的湍流動能為230～310 cm2/s2，是閘位1時核心區(qū)湍流動能的40%～50%，是閘位2時核心區(qū)湍流動能的60%～70%。

圖5　不同閘位下平面湍流動能分布(單位：cm 2/s 2) Fig.5 Distribution of plane turbulent kinetic energy of flow 3 (unit: cm 2/s 2)

3.3壓強分布

圖6　不同閘位下平面壓強分布(單位：Pa) Fig.6 Distribution of plane pressure of flow 3 (unit: Pa)

不同計算流量下不同閘位閘孔過流時的平面壓強分布見圖6。由圖6可見，同一閘位不同流量時的壓強分布規(guī)律基本相同，最大正壓均出現(xiàn)在閘墩頭部。閘位1時閘孔上游和閘室內(nèi)壓強基本均勻?qū)ΨQ，未出現(xiàn)負(fù)壓，最大正壓約為1.94 kPa。閘位2時壓強分布規(guī)律為閘孔附近凹岸壓強總體上大于凸岸，凹岸平均壓強約為凸岸平均壓強的1.6倍，最大正壓約1.97 kPa，流量2和流量3在凸岸邊墩下游處出現(xiàn)負(fù)壓，其最大負(fù)壓約-0.59 kPa。閘位3時最大正壓約1.97 kPa，各計算流量下凹岸邊墩下游處均出現(xiàn)負(fù)壓，最大負(fù)壓約-0.20 kPa。

3.4橫向環(huán)流

流量3閘位3前徑向橫斷面的橫向環(huán)流見圖7。閘位1時由于閘壩位于彎道上游，其流速分布基本不受彎道影響，其閘前未出現(xiàn)橫向環(huán)流，局部橫向流速主要受到邊墩收縮河道影響而指向河道中心線。閘位2由于處于彎道正中，閘壩在過流時受彎道影響較大，閘前的橫斷面出現(xiàn)逆時針(上游向下游視角，下同)橫向環(huán)流，環(huán)流中心位置偏向凹岸。閘位3時閘壩雖已處于彎道尾端，但流速分布仍受前段彎道影響，閘前橫斷面仍出現(xiàn)逆時針橫向環(huán)流，環(huán)流中心位置也偏向凹岸。

圖7　不同閘位橫向環(huán)流變化 Fig.7 Changes of transverse circulation

4結(jié)語

本文采用RNGκ-ε紊流模型，對急彎段閘孔出流的彎道水流進行了三維數(shù)值模擬，數(shù)值模擬驗證與物理模型試驗結(jié)果吻合較好，計算精度較高，能夠滿足相關(guān)計算研究要求。通過模擬計算，比較分析了不同流量下不同閘位時閘壩過流的部分水力學(xué)特征和規(guī)律，結(jié)果表明：

(1)閘壩位于彎道上游時，進閘水流方向與閘墩基本平行，閘室內(nèi)的流速均勻?qū)ΨQ，閘室內(nèi)的湍流動能較小，且閘前未產(chǎn)生橫向環(huán)流，閘墩附近沒有出現(xiàn)負(fù)壓，但是閘壩出流下游彎道凸岸岸坡附近區(qū)域的湍流動能較大，約為閘位2的1.5～1.6倍，閘位3的2.2～2.5倍，實際工程設(shè)計中需對該岸坡采取一定的防護措施。

(2)閘壩在彎道中間時，過閘水流受到彎道的影響較大，閘前有明顯橫向環(huán)流，水流在進閘時與閘墩呈較大夾角約為40°～45°，對閘墩的橫向沖擊較大，同時該閘位相對另外兩種閘位，閘室內(nèi)湍流動能也最大，約為閘位2的1.9倍，閘位3的1.8倍，不利于閘室水流穩(wěn)定和閘門安全工作；該閘位閘墩下游處還會出現(xiàn)較大負(fù)壓，可能對閘墩產(chǎn)生空蝕破壞；閘壩下游凸岸岸坡附近區(qū)域也出現(xiàn)了較大的湍流動能，該處岸坡穩(wěn)定也需注意。

(3)閘壩在彎道尾端時，閘前也出現(xiàn)了較為明顯的逆時針橫向環(huán)流，水流在進閘時仍與閘墩呈一定夾角，但較閘位2有所減??；該閘位部分閘墩下游也出現(xiàn)了負(fù)壓，同樣需要防止空蝕破壞。該位置閘壩下游出流相對平穩(wěn)，湍流動能值較小，對岸坡影響較小。

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A study of bendway flow characteristics outflowing from sluice orifice on rapid river bend

GUO Hong-min1,2, QIN Shan1, CAI Li-ming1, CAO Guang-chun1, ZHANG Tian-tian1, HU Wen-bing1

(1.CollegeofHydraulicandEnvironmentalEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China; 2.CollaborativeInnovationCenterforGeo-HazardsandEco-EnvironmentinThreeGorgesArea,Yichang443002,China)

Key words： rapid river bend; outflow from sluice orifice; bendway flow; flow characteristics; numerical simulation

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