取水口位置对弯道水流流速分布影响的数值模拟研究

第５ｌ卷第６期　２０１５年６月　甘肃水利水电技术　ＧＡＮＳＵ　ＷＡＴＥ：Ｒ　ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ　ＡＮＤ　ＨＹＤＲ０ＰＯＷＥＲ　ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ　Ｖｏ１．５１．Ｎｏ．６　Ｊｕｎ．，２０１５　・设计与研究・　取水口位置对弯道水流流速分布影响的数值模拟研究　闰晓惠　．陈　新　（辽宁省庄河市水利建筑勘测设计院，辽宁庄河１１６４００）　摘要：基于大涡模拟模型并采用刚性平面假设方法，对设有取水口的弯道水流流场进行了三维数值模拟，数值模拟　得到的水流特性及弯道平面流场图与文献中的实验观察结果基本吻合，证明大涡模拟模型结合刚性平面假设可准　确预测设有取水口的弯道水流流场。利用此模型还进行了６组数值模拟实验，分析了取水口位置对弯道水流流速分　布的影响。　关键词：取水口；弯道水流；流速分布；数值模拟　中图分类号：ＴＶ１３１．３；ＴＶ１４３　文献标志码：Ａ　文章编号：２０９５—０１４４（２０１５）０６—００２８—０３　弯道是自然河流中最重要而常见的基本单元之　一计效率，但经验公式结果往往不够精确，因此，不可　利用经验公式法对弯道水流特性进行研究。基于　Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ方程的数值模拟法综合了实验法与经　验公式法的优点，而且得益于近些年计算技术的进　，其水流分布对泥沙运输，河岸侵蚀，水流生态都　具有非常明显的影响。影响弯道水流流速分布的因　素有很多，如河床糙率、上游流量、排水口设置等．而　本文的研究对象主要是设有取水口的弯道水流。研　究取水口尤其是取水口位置对弯道水流的影响对实　际工程应用具有重要的指导意义，如取水口选址，泥　步，数值模拟法得到了越来越广泛的应用，但不同数　值模型在不同问题中的适用性差别很大，所以模型　需要与标准结果进行比较，当比较结果验证了数值　模型后则可由其取代物理实验进行科学研究。因此，　本文研究思路为：选取较为先进的数值模拟方法及　模型（如本文中使用的大涡模拟模型），通过与实验　结果比较，验证其适用性．再利用该方法进一步进行　沙防治以及河床治理等。之前对设有取水口的弯道　水流的研究大多采用实验法或经验法．少数的数值　模拟研究则采用雷诺平均法，而本文则采用更为精　确的大涡模拟法并采用刚性平面假设法捕捉水流分　布。模拟所得三维水流特性与实验观察结论完全一　致，模拟所得弯道平面流场图与文献中的实验图也　基本吻合，证明了本文所采用方法在该问题中的适　用性。该方法被进一步用于６组数值模拟实验以分　析取水口位置对弯道水流流速分布的影响，分析了　数值模拟实验而不是物理实验并得出研究结论。　１＿２数学模型　不可压缩流体的雷诺平均质量守恒方程与动量　守恒方程可分别表示为：　在不同工况下弯道水流的流速分布趋势，流速变化　程度以及取水口对弯道水流的影响区域。　１　研究方法　１．１　研究思路　要＝０　（１）　导＋ａｆ　　一善＋，　叙，　丢ｌ．Ｉ∥一ｃ善　．＋詈　　ｌ　＋等ｃ，　２　式中：　、　．——雷诺平均速度；　溉、　厂一坐标；　——对设有取水口的弯道水流流速分布的研究通常　可采用３种方法：实验法，经验公式法，和数值模拟　法。实验法的优点是所得结果较为精确直观，缺点　是费用较高耗时较长，同时测量仪器也可能对实验　雷诺平均压强：　时间：　——ｌ一——动力黏度；　结果形成干扰．因此，难以完全采用实验法对多种工　况进行分析，而少量的工况分析又不能验证结论的　普遍适用性。经验公式法较为简便实用，在实际应　用中尤其是初步估算中可以极大地提高工程初步设　收稿日期：２０１５—０５—２６　次网格尺度雷诺应力张量分量。　次网格涡的模拟模型可表示为：　一　要＋熹　（３）　作者简介：闫晓惠（１９８９一），男，辽宁庄河人，工程师，学士，主要从事水利工程设计。Ｅ－ｍａｉｌ：１１３３８７５０３＠ｑｑ．ＣＯｎｌ　２８　・　・　第６期　闫晓惠，等：取水口位置对弯道水流流速分布影响的数值模拟研究　第５１卷　式中：　——次网格黏度；　——。大尺度场的应变率。　涡流黏度可模拟为：　＝　Ｉｇ－ｌ　（４）　式中：Ｃ＿厂模型参数，其值为ｏ．１，Ａ为过滤长度尺　度，ｌＳｌ＝（　Ｓｉ，）　。　２验证模拟　２．１　模型设置　本文采用张黎和张鹤的弯道水流水力特性实验　来验证数值模型的适用性，因此，依据实验模型来设　置验证模拟中的数值模型。在验证模拟中，弯道中　图１模拟弯道平面流场　心角为６０￣，断面为矩形，其中宽为０．６　ｍ。取水口设　置在弯道凹岸，其中心线与弯道起始处角度为４５。，　３模拟实验　分流通过直道支槽，其宽为０．３　ｍ。弯道入口设置为　此数值模拟实验的主要目的是分析取水口位置　速度人口，速度为０．１９　ｍ／ｓ；出１２１为压力出口并设置　对水流流速分布的影响，其中取水口位置由分流中　目标流量以模拟下游尾门的功能，其中支流出口目　心线与弯道起始处所成角度　（以下称为“取水ＶＩ的　标流量为６．９５　ｋ　，干流出１５目标流量为２３．０５　ｋｇ／ｓ。　位置角度”）来确定，水流流速分布则由弯道主流线　在刚性平面假设法中自由水面处竖直方向速度为　的流速来表征。本系列试验考虑六种工况，取　０，但此假设对自由表面增加了压力以保持系统中其　水口位置角度分别为２５。，３０。，３５。，４０。，４５。，５０。，其　他位置处水流特性的正确性，但此假设法只适用于　他边界条件及初始条件等与验证试验完全一致并保　弗劳德数小于０．５的水流。由于试验中的弗劳德数　持不变。此系列模拟实验所得主流线水流流速随　约为Ｏ．１２且自由水面线不是本文的研究重点，因　方向变化曲线如图２所示，其中横坐标为某点距弯　此，为节省模拟资源及验正假设法的适用性，本文采　道人口距离，纵坐标为速度绝对值。　用刚性平面假设，并设置初始水深为０．２６３　ｍ，以保　证模拟流量流速等效于实验流量流速。河岸及河床　设置为墙体，采用无滑移边界条件。采用非均匀非　结构化三维网格以提高网格效能，经检验更小的单　一　元尺寸与时间步长几乎不再改变模拟结果，证明了　网格及时间设置的合理性。　煺　２－２验证分析　模拟大约在进行３　０００次迭代计算后达到准稳　态状态，模拟结果显示，水流水平方向流速随重力方　向逐渐减慢，这与水为黏性液体且河床具有摩擦力　的事实相符，同时也证明了该水流流速具有明显的　ｘ／ｍ　三维特性，因此，不可使用二维模型代替三维模型来　图２水流主流线沿　方向流速曲线　进行此问题的模拟。由于分流的存在，取水口上游弯　实验结果也用于分析主流线水流流速明显变化　道水流流速发生变化，主流线向取水口中轴线偏转，　区的最大流速　一，最小流速Ｖ…流速变化值　以　这与试验中观察到的水流特性完全一致，同时也证　及流速变化拐点距离弯道人水口水平距离Ｘｓｌ一等参　明了分流对弯道水流流速分布具有明显的影响。图１　数。各工况细节及这些流速变化参数见表ｌ所列。　为模拟所得弯道平面流场图，其观测点远多于实验　４结果分析　测量点．但与实验测量点对应的模拟点的速度矢量　模拟结果可用于分析设有取水口的弯道水流的　与实验数据基本吻合，验证了大涡模拟模型的适用　总体流速分布趋势．取水口位置对水流流速的影响　性　以上分析说明可以利用本文方法进行数值模拟实　大小以及不同工况下取水口对弯道水流流速的影响　验以代替在时间与费用方面成本更高的物理实验。　区域　・２９・　２０１５年第６期　甘肃水利水电技术　第５ｌ卷　表１　各工况及流速变化参数　数，其影响范围可以由速度拐点来确定。由模拟结　果可知，流速变化拐点位置随取水口的位置而变化。　本文采用回归分析法来确定流速变化拐点与取水口　位置角度的关系．对系列模拟实验数据进行分析，得　到回归方程如下：　ｓｌｏｐｅ￣一０．００ｌ　ｌｇｂ２＋Ｏ。ｌ　１０　５　一１．９８８　６　（５）　此回归方程可用于粗略估计类似条件下不同取　水口位置对弯道水流的影响区域，从而可对实际工　程的初步设计进行指导．如取水口选址，泥沙防治以　由图２可知，在弯道入水口附近主流线水流流　及河床治理等。在以后的模拟试验中，流量变化、弯　速有所加快．这主要是因为水流进入弯道后在重力　道曲率、断面类型等因素将被考虑进来以修正此方　和离心惯性力的共同作用下会产生副流．此副流与　程。　纵向主流叠加，使主流线的水流速度绝对值有所增　５结语　加。但随即受到分流的影响，主流线流速会不断减　利用大涡模拟模型并采用刚性平面假设方法对　慢，流速变化位置及大小受取水口位置的影响，其中　设有取水１２１的弯道水流进行了三维数值模拟，模拟　流速变化位置可用速度变化拐点位置来代替，而流　数据与文献中的实验结果进行了比较，证明了此方　速变化大小则可用取水口影响区域内流速最大值与　法可以准确地预测设有取水口的弯道水流流场。取　最小值的差值来表示。之后，主流线水流流速会略　水口位置对弯道水流流速分布有明显的影响，如　有上升或基本保持不变，主要因为副流再次受凹岸　４５ｏ取水口对弯道水流的影响较小而３０。取水口则　河岸影响而略有加强。　影响很大。因此，在泥沙运输问题较为严重的实际工　取水口位置对弯道水流流速有明显影响，由表　程应用中，应尽可能采用４５。取水口而避免３０。取水　１中的速度大小变化数据可知．其影响程度由大到　口。研究了取水口对流速的影响区域并得到粗略的　小排列分别为３０。，３５。，４０。，２５。，５０。，４５。。其中当取　估测方程．该方法可用于类似条件下河床治理等工　水口与弯道初始处成４５。时分流对弯道水流流速的　程的初步设计当中。　影响最小，这也解释了取水口选择在此位置可以高　参考文献：　效防沙的原因，因此，在泥沙运输问题严重的实际工　［１］张黎，张鹤．分流对弯道水流水力特性影响的实验研究　程应用中应尽可能选择４５ｏ取水口而避免３Ｏ。取水　［Ｊ］．吉林水力，２００９，２９（６）：５３—５６．　口。　［２］Ｆｅｒｚｉｇｅｒ，Ｐｅ６（２００２）．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｆｌｕｉｄ　ｄｙ－　取水口对弯道水流的影响区域是另一个重要参　ｎａｍｉｅｓ．３ｒｄ　ｅｄ．Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，Ｂｅｒｌｉｎ．　痧　、驴　（上接第２７页）坝体沉降最大为１８．５　ｃｍ，由于受到　参考文献：　蓄水过程的影响，水压力抵消了坝体在垂直方向的　［１］钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算［Ｍ］．北京：中国水利水　受力，所以沉降有所减小；由于水压力的作用，顺河　电出版社，１９９６．　向位移向上游减小，向下游增大，最大值分别为３－３　［２］陈慧远．土石坝有限元分析［Ｍ］．南京：河海大学出版社，　ｃｍ和７．４　ｃｍ。坝体位移分布与已建国内外同类工程　１９８８．　相似，合乎堆石坝体的变形规律。大坝最大沉降为　［３］王娟，李勋峰．金平沥青混凝土心墙堆石坝三维有限元数　值分析［Ｊ］．水电能源科学，２００７，２５（１）：７１—７４．　坝高的０．１８％，在已建工程观测值范围内。　［４］张芸芸，陈尧隆．沥青混凝土心墙坝的应力及变形特性　（２）竣工期坝体主应力最大值均出现在坝底部　［Ｊ］．水资源与水工程学报，２００９，２０（３）：８７—９０．　中轴线两侧，大主应力和小主应力最大值分别为　［５］Ｄｕｎｃａｎ　Ｊ．Ｍ，ｅｔ　ａｌ，Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ　ａｎｄ　ｂｕｌｋ　ｍｏｄｕｌｕｓ　１．２１　ＭＰａ和Ｏ．６１　ＭＰａ。满蓄期上游坝壳受到浮力影　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ　ａｎｄ　响．坝壳有效容重减少，坝壳大、小主应力均减小，上　ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ｓｏｉｌ　ｍａｓｓｅｓ　ｌ　Ｒ　Ｊ．Ｒｅｐｏａ　Ｎｏ．ＶＣＢ／ＧＴ／７８－０２．　游坝壳大、小主应力最大值分别为０．９４　ＭＰａ和０．４２　Ｕｎｉｖ．ｏｆ　Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ　Ｂｅｒｋｅｌｅｙ，１９７８．　ＭＰａ．下游坝壳大、小主应力最大值分别为１．２８　ＭＰａ　［６］华东水利学院土力学教研室主编．土工原理与计算［Ｍ］．　北京：水利电力出版社，１９８２．　和０．６６　ＭＰａ。从大主应力等值线图可以看出，大坝　［７］殷宗泽．土工原理［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００７．　在顺河方向出现明显的拱效应，这对心墙的抗水力　［８］费康，张建伟．ＡＢＡＱＵＳ在岩土工程中的应用［Ｍ］．北京：　劈裂是非常有利的，设计方案是合理的。　中国水利水电出版社，２０１０．　・３０・