基于MIKE軟件的天然河道局部水頭損失特性研究

2018-09-18 07:50:52唐英敏鮑立榮

水力發電 2018年6期

唐英敏，鮑立榮

(1.四川建筑職業技術學院，四川德陽618000；2.通遼市水務局，內蒙古通遼028000)

0 引言

水頭損失形式可以分為沿程水頭損失和局部水頭損失，河道漸擴段的水頭損失主要是局部水頭損失，局部水頭損失的產生是因為局部邊界急劇改變，使得正常流動遭到局部破壞，水流出現劇烈地紊動，以致形成渦流和繞過障礙物等的現象，流體的動量交換加劇，在此過程中水流能量損失，目前，對局部水頭損失的研究主要有物理模型試驗法和數值模擬法兩種方法。

對于局部水頭損失的研究，茅澤育等[1]通過試驗研究并結合水動力學原理，在分析匯流口水力特性及能量損失機理的基礎上，提出了適用于任意角度匯流管路分析計算的局部能量損失系數的普遍表達式；文獻[2]中對于局部水頭損失的研究是在模型試驗的基礎上忽略沿程水頭損失，根據連續性方程、能量方程以及動量方程得到的一個經驗的局部水頭損失公式；閆旭峰等[3]運用聲學多普勒流速儀測量了漸變河道模型的水流結構，基于SMS水動力學模型對漸變河道水流特性進行了二維數值模擬，與實測值吻合較好，并計算分析了局部水頭損失系數沿程的變化規律；吳長文[4]研究高含沙水流在明槽突擴段中的局部阻力時，發現高含沙水流的局部阻力要遠大于相應流速的清水局部阻力；張志昌等[5]對明渠水躍段沿程水頭損失和局部水頭損失進行了研究，分析了水躍段總水頭與水躍區總水頭比值、相對沿程水頭損失、相對局部水頭損失、局部阻力系數與弗勞德數關系；胡江等[6]通過PIV研究了光滑明渠的紊流水流結構，得到了試驗結果，并能較好地符合前人的研究成果；王協康[7- 8]等通過水槽試驗，研究了入匯角為30°的支流斜接主流入匯型河道的三維水流結構，結果表明交匯區水流有水流分離區、高流速帶、低流速帶、剪切面等特征，且進一步分析了水流分離區的特征，發現水流分離區幾何尺度隨著水深及流量比的變化而變化，并受二次流對流速分布的影響。對于河道漸擴段的設計，以往一般是根據經驗，對漸擴段局部水頭損失沒有加以考慮，導致計算耗時過長且計算精度較低，因此本文引入MIKE軟件對漸擴型河道的水流結構特性以及局部水頭損失進行分析。

1 基本理論

本文采用DHI MIKE21軟件的水動力(HD)模塊進行模擬，水動力模型的控制方程有：

質量守恒方程

x方向動量方程

y方向動量方程

式中，ζ為表面水位，m；t為時間，s；p、q為沿x和y方向的通量密度，m3/sm；d為水位隨時間變化量，m；h為水深，m；C為謝才系數，m1/2；ρw為水的密度，kg/m3；τxx、τxy為有效切應力分量，N/m2；f為風摩擦系數，無量綱；V、Vx為風速及在分方向的速度，m/s；Ω為科氏系數，s-1。

本文是在清水定床工況下模擬30、45、60、75、90 m3/s5種不同流量情況下漸擴段局部水頭損失的變化規律。河道底坡為0.48%，糙率0.015，上游入口條件為流量，即取上游恒定水流條件，下游出口條件取為穩定水深水流條件，計算中固壁按定邊界條件處理。采用交替格式隱式算法(ADI)計算，用這種交替方向隱式迭代法對動量方程、質量方程等進行迭代求解方程組。然后利用雙精度掃描法(DOUBLE SWEEP)對其每個方向及單獨網格線上產生的數學矩陣進行求解。計算中劃分的三角網格數為2 112個，網格節點數為1 134個，網格平均面積為0.8 cm2。

2 模型建立

本文計算實例由明渠段、漸擴段、明渠段組成，上游為10 m×4 m矩形明渠，長100 m，下游為16 m×4 m矩形明渠，長70 m，中間漸擴段長10 m，計算示意如圖1。

圖1 河道斷面計算示意

其中2- 2斷面～3- 3斷面間為漸變段，由于從上游矩形明渠過度到下游矩形明渠過程中，不僅會產生沿程水頭損失，還會受到局部水頭損失的影響，因此為較為準確計算漸變段水面線變化規律，需將此10 m長斷面劃分為一段段的河段，且劃分越細最終水面線計算結果越精確，本文在漸變段中選取20個斷面。其中，每兩個斷面間仍有5個斷面。

3 計算結果與分析

3.1 流場分析

根據DHI MIKE21軟件的水動力(HD)模塊進行模擬，計算得到幾種不同流量下漸擴段流場圖，以流量90 m3/s為例，見圖2。

從圖2可知：①在從上游明渠段進入漸擴段時均發生水位突降現象，且流量越大突降越厲害，因此局部水頭損失就發生在此部位；②流量越大，在漸擴段流速擴散影響的范圍越大，且流量越大，水流經過漸擴段后水位要經過很長一段時間才能達到平衡；③不管是從上游明渠到漸擴段還是從漸擴段到下游明渠段的轉折點部分流速均很大，且流速方向不規律，這是因為在從明渠到擴散段過程中流速發生重分布現象，壁面流速還未適應斷面的變化因此呈不規律現象分布。