基于MIKE3流場模型的河流上游明渠彎道水流三維數值模擬研究

師于杰

(新疆維吾爾自治區塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

1 概 述

彎道中水流作曲線運動，在慣性離心力和水流自身重力的作用下，原有的水流結構遭到破壞，水流流態變得異常復雜[1]。這主要是因為多了一個離心力作用，使得水流流態失衡，產生凹岸高、凸岸低的水面橫比降，并且由于上層水流流速大，受到的離心力大[2]。因此，在縱向流速和橫向流速共同作用下，彎道水流呈表流指向凹岸、底流指向凸岸的螺旋流運動狀態，在彎道環流的作用下，泥沙進行橫向輸移，導致彎道床底凹岸的沖刷、凸岸的淤積，造成彎道河床的橫向比降[3]。明渠彎道水流運動主要的研究方向包括彎道水面橫比降及超高、流速重分布、床面切應力、輸沙特性及河床變形等方面[4]。

2 模型建立與工況

2.1 模型建立

DHIMIKE軟件是專業的水力學軟件，是經過大量的實際工程驗證并且得到水力學研究人員廣泛認同的商業軟件。本文主要利用該軟件中的水動力模塊(HD)及泥沙輸移模塊(ST)。計算模型中，采用分層的網格，每一個網格單元均為三角形的棱柱體，即在垂直方向為矩形網格，水平方向為非結構三角形網格，分別對3種型式(圓彎道、緩圓緩彎道和對稱凸型彎道)的彎道進行網格劃分，見圖1。

圖1 模型計算圖

2.2 清水定床模型工況

清水定床模型參數見表1。在計算過程中，固壁按照定邊界條件進行計算處理。

表1 清水定床模型參數

2.3 清水沖刷模型工況

對于清水沖刷模型，首先在彎道底部進行鋪沙，鋪沙參數見表2。

表2 鋪沙參數

將其他條件與清水定床模型的工況保持一致。在天然河道中，沙子的運動形式既有推移質也有懸移質，且泥沙一般為非均勻沙。在數值模擬計算時，想要實現混合粒徑的泥沙顆粒以不同形態運動還是比較困難的，而且想要實現從上游補給推移質也有一定難度。在本文的清水沖刷模型中，彎道底部所鋪沙子的粒徑為0.22 mm，鋪沙厚度為10 cm，進口水流為清水，需要考慮環流的影響。在計算過程中，對于彎道的幾何形態，本文進行一定的簡化處理，即邊壁在計算中按照定邊界進行處理，這樣就只能定性地分析水流對堤腳、堤身的沖蝕破壞作用，并且局限于分析水流泥沙對河床的沖刷、淤積作用。

本文以圓彎道、緩圓緩彎道和對稱凸型彎道為模擬計算對象，清水定床模型主要模擬水流流態及水面形態，通過HD模塊模擬計算，模擬計算時間為1 h；清水沖刷模型主要模擬河床沖刷規律，通過ST模塊模擬計算，取模擬時間為2 h。根據模擬結果圖，繪制水流水面線圖、流速圖、環流圖和河底沖淤趨勢圖等，定性對比分析3種典型彎道的水流形態及河床沖淤情況[5]。

3 數值模擬結果與分析

當水流由順直河道進入彎曲河道時，在直道段的水流流過彎道處，由于軸線的曲率在彎道處的曲率難以適應，水流便會在此產生離心力，離心力的方向為指向凹岸，這樣使得原有水流結構達到的平衡狀態變得不平衡，由于水面的調整便會產生橫比降。彎道處水面產生橫比降后，會進一步引起彎道水流結構的調整。水流入彎之后產生的次生流與縱向主流疊加在一起，形成彎道特有的螺旋流，進而引起水流對堤身的沖蝕破壞及河床的沖淤變形。

3.1 水流結構變化分析

本文采用清水定床模型，在彎道水流流態穩定的情況下，分別對圓彎道、緩圓緩彎道和對稱凸型彎道3種彎道狀態進行對比分析。通過分析水面超高、比降以及平面流速的分布得到相應的結論。

3.1.1 水面超高和比降

對于水流的流向，當水流進入彎道后，不僅會受到水自身的重力作用，同時由于彎道的曲率、水流的流速方向發生改變，便會受到離心力的作用。所以，當水流的各個質點開始作離心運動時，彎道上的自由水面的平衡狀態便開始發生改變，導致彎道處的凸岸水面低于凹岸水面，在彎道的橫向自由面會形成具有一定傾斜程度的水面橫比降。彎道水面超高的產生引起整個彎道水面形態的變化，進一步會引起彎道中水流結構的重新調整以及流速的重分布。見圖2。

圖2 彎道水位等值線圖

圖2為彎道的水位等值線圖。從圖2中可以看出3種彎道的水面形態有著相似之處：在彎道入口處，由于水流受到慣性影響，水位有雍高趨勢；當彎道凹岸側的水位逐漸壅高以后，在0°～90°斷面的區域，水流動后，由于水流的流速產生的動能，將會轉化為一定的勢能，產生的結果會出現水位升高、流速減小的現象，此處的狀態為高水位低流速區；當彎道的流動水流水位上升到最高時，由于水流受到慣性作用的影響，水位將會產生下降的趨勢，此時由于勢能轉化為動能，即出現水位降低、流速增大的水流現象，也即低水位高流速區在90°～180°斷面區域。

3.1.2 橫比降縱向變化

3個典型縱剖面的水面線沿流程變化過程線見圖3。

圖3 彎道水面線沿程變化

由圖3可知，這3種彎道水面線沿流程變化呈現的規律為：凹岸處的水面線、中心線水面線均呈上凸的曲線，凸岸水面線呈下凹曲線，且凸岸水面線較凹岸水面線變化更為激烈；彎道最大水位差一般會出現在彎頂斷面附近，并向上下游兩個方向逐漸減少；在彎道進口附近，緩圓緩彎道和對稱凸型彎道的凹岸、凸岸及中心線的水面線較齊平，而圓彎道的3條水面線有水位差，表明在圓彎道進口斷面前就有凹凸岸水位差發生；在彎道段，凸岸水位明顯低于凹岸水位，而中心線水位界于兩者之間；在彎道出口段，緩圓緩彎道和對稱凸型彎道的凹岸、凸岸及中心線的水面線較齊平，而圓彎道的3條水面線有水位差，表明在圓彎道出口斷面后凹凸岸還有水位差。以上情況表明，緩圓緩彎道和對稱凸型彎道減少了發生水位差的彎道長度，其有效改善了彎道水面形態。

3.2 平面流速分布

通過得到不同水深處的U-V矢量圖，分析彎道水流水平速度矢量在不同水深處的分布。本文選取3個水深，分別為z/h=1、0.5和0.1，所得到的結果見圖4。

圖4 圓彎道U-V矢量場

從圖4中可以看出，3種彎道的水平速度矢量有相似的規律性：

1) 水深z/h=1處的速度值最大，水深z/h=0.1處的速度值最小。

2) 水流剛進入彎道時，各層水流流速表現為在靠凸岸側流速增大，靠凹岸側流速減小；水流經過彎道后，各層水流流速也一致表現為靠凹岸側流速增大，靠凸岸側流速減小。

3) 在彎道段，z/h=1處屬于表面流層，其主流向明顯偏向凹岸，在距離床面一定距離后，即z/h=0.5時，主流向近似與邊界平行，z/h=0.1屬于近底流層則明顯偏向凸岸，表明彎道水流底部流向和表層流向交錯的重要特征，產生了螺旋流運動；水流在彎道下游出口段逐漸趨向一致，與槽邊平行。過去泥沙起動多用斷面平均流速表示，事實上，近底流速對泥沙顆粒起動的影響最為重要。圖5為3種彎道處的凹岸、凸岸和中心線的近底流速對比圖。

圖5 彎道近底表層流場圖

通過圖5的對比分析可知，緩圓緩彎道和對稱凸型彎道的流速大小和變化范圍基本相似。在凹岸處，近底流速小于圓彎道；在凸岸處，彎道進口附近及過彎頂斷面后這兩種彎道近底流速較圓彎道明顯減小，表明插入緩變曲線后的彎道有效減少了過大、過小近底水流流速的出現，對壁岸、床底的淘刷程度將會小于圓彎道。

4 結 論

對圓彎道、緩圓緩彎道和對稱凸型彎道水槽3種彎道的水面形態、水流流態及河床沖淤變形等進行數值模擬計算，然后對比分析，得出以下結果：

1) 插入緩變曲線的彎道可以明顯改善邊界對水流的約束力，有效改善水面形態，表現在可以有效改善除彎頂斷面附近以外的水面超高、水面比降，但在彎頂附近的區域，改善水面形態效果不太理想。

2) 一般情況下，彎道有兩個高流速區：一個出現在凸岸，從進口斷面到彎頂斷面之間；另一個出現在凹岸，大約從彎頂斷面到出口斷面及下游。位于凹岸出口下游附近的高流速區，將引起該位置的床面沖刷，形成沖刷部位。