防沖槽的模型試驗(yàn)與二維數(shù)值模擬

李娟

（新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊830000）

1 概述

山區(qū)河流在汛期時(shí)，水中泥沙、推移質(zhì)含量較多，增加了對(duì)河床的沖刷程度，致使水工建筑的壽命大為縮短。因此，很多學(xué)者對(duì)沖刷問(wèn)題進(jìn)行研究，例如陳卓英[1]，通過(guò)水槽試驗(yàn)對(duì)消力池進(jìn)行型式優(yōu)化，降低了消力池內(nèi)水流流速，而且減輕了下游海漫段和防沖槽的消能壓力。王協(xié)康[2]，通過(guò)水槽試驗(yàn)，探討了漂石顆粒對(duì)河床沖淤的影響，對(duì)比分析了不同水沙條件下漂石對(duì)推移質(zhì)輸沙率過(guò)程的影響。蒙文賓[3]，采用VOF 法對(duì)消力池流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，結(jié)果與水力學(xué)計(jì)算基本吻合。

為了探究適用于新疆多沙河流的防沖槽，本文首先對(duì)清水時(shí)未拋填卵石的防沖槽進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值模擬[4，5]，得到水流的流態(tài)、流速分布情況，為后期的研究做鋪墊。

2 模型設(shè)計(jì)

3 防沖槽二維模型建立

3.1 模型建立

首先進(jìn)行二維模型的計(jì)算與調(diào)試，模擬防沖槽未拋填卵石，為清水的工況。在數(shù)值模擬中，對(duì)形式簡(jiǎn)單的裝置或建筑物采用二維數(shù)值模擬可以大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

依據(jù)具體尺寸，按照1∶1 的比例繪制工程圖，建立數(shù)學(xué)模型，如圖1 所示。X，Y兩個(gè)方向分別為防沖槽的縱向、高度，X方向分別向上、下游延長(zhǎng)80 m，減小進(jìn)出口對(duì)結(jié)果的影響，則X坐標(biāo)范圍為-88.8～215.0 m，Y坐標(biāo)范圍為916.5～937.5 m。

圖1 拋石防沖槽二維模型示意圖

3.2 網(wǎng)格劃分

主要采用四邊形規(guī)則網(wǎng)格，防沖槽后半部分采用不規(guī)則網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在上下游水位附近網(wǎng)格劃分較為密集，網(wǎng)格數(shù)總共3.7 萬(wàn)，如圖2 所示。

圖2 區(qū)域網(wǎng)格劃分

3.3 邊界條件

1）進(jìn)口邊界。進(jìn)口邊界分為兩部分：一部分為空氣進(jìn)口，設(shè)置為大氣壓力進(jìn)口；另一部分為水進(jìn)口，設(shè)置為速度進(jìn)口，速度大小依據(jù)實(shí)測(cè)水位與流量計(jì)算出斷面平均流速。水進(jìn)口為速度進(jìn)口，空氣進(jìn)口為大氣壓力入口。速度計(jì)算：流量Q=220 m3/s，A過(guò)水?dāng)嗝婷娣e=B（過(guò)水寬度）×H（水深）=37×2.88=106.56 m2，v=2.829 m/s。

2）出口邊界：出口部分分為大氣壓力出口或大氣壓力出口與水壓力出口結(jié)合，其中水壓力與出口水深有關(guān)。

3）固體邊壁：閘室、防沖槽、河床底部及側(cè)面均為固壁，其邊界條件按固壁函數(shù)處理，壁面處為無(wú)滑移邊界，對(duì)靠近壁面區(qū)域則采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)方法來(lái)處理。壁面粗糙高度設(shè)置為0.001 m，均勻分布。

4）自由表面：漸變段、連接段和進(jìn)出口及下游渠道與大氣接觸，設(shè)置為壓力入口。

3.4 數(shù)值方法

采用顯式、k-ε紊流模型，采用VOF 法追蹤自由液面。

4 結(jié)果對(duì)比

4.1 流態(tài)及水位

流量為220 m3/s 時(shí)，待水流穩(wěn)定后，觀察水流通過(guò)閘室以及坡比為1∶4 的護(hù)坦后，流速增大，水深減小，流入防沖槽后水流發(fā)生混摻波動(dòng)劇烈，流入河床部分后，能量快速消散，水流逐漸平穩(wěn)。

(1)使用時(shí)間序列微觀數(shù)據(jù)來(lái)研究中國(guó)農(nóng)村收入不平等得到的結(jié)果更為精準(zhǔn)與可靠，研究結(jié)果表明1986—2003年間中國(guó)農(nóng)村地區(qū)收入不平等不斷擴(kuò)大，而2003—2014年呈不斷縮小的趨勢(shì)，但是目前的收入不平等仍然較大。通過(guò)基尼系數(shù)可知，目前的收入不平等仍處于收入差距較大的區(qū)間，并且高于國(guó)際警戒線，雖然開(kāi)始逐漸縮小，但是這個(gè)縮小的速率在降低，未來(lái)收入不平等下降可能趨于平緩，還需進(jìn)一步采取措施降低中國(guó)農(nóng)村地區(qū)的收入不平等。

從上游至河床共選取9 個(gè)斷面進(jìn)行量測(cè)，在水位波動(dòng)較大處多次讀取，取平均值。受閘墩影響，中間水深略小于兩側(cè)水位。自1-1 斷面至9-9 斷面，左側(cè)水位由932.91 m 逐漸變化到930.63 m；自0+000 斷面至0+100.32 斷面，右側(cè)水位由932.94 m逐漸變化到930.51 m，中間水位由932.88 m 逐漸變化到930.54 m；槽內(nèi)整體水位均沒(méi)有大的波動(dòng)。

將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)水位進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。通過(guò)對(duì)比可知，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)個(gè)別斷面誤差較大，大部分誤差小于5%。對(duì)比可知，閘前水位偏低，因?yàn)橥ㄟ^(guò)二維模型簡(jiǎn)化后，不能模擬出閘孔對(duì)水流的束窄作用，但閘前水位對(duì)整體模型影響不大。6-6 斷面數(shù)值模擬與試驗(yàn)值相差較大，由于模型試驗(yàn)時(shí)該處水位波動(dòng)幅度較大，取平均值作為結(jié)果，而數(shù)學(xué)模型水位在該處較穩(wěn)定，水位有偏差，誤差稍大。

表1 二維數(shù)學(xué)模型與物理模型試驗(yàn)水位對(duì)比

4.2 流速

物理試驗(yàn)：每個(gè)斷面取左、中、右3 個(gè)測(cè)線，水深較深處增加2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，1/2 水深和2/3 水深。自1-1 斷面至 9-9 斷面，左側(cè)流速由 2.86 m/s 逐漸增加到7.98 m/s 又減少為0.81 m/s，右側(cè)流速由2.70 m/s 逐漸增加到 7.64 m/s 又減少為 1.18 m/s，中間流速由3.26 m/s 逐漸增加到7.98 m/s 又減少為0.79 m/s，3 個(gè)測(cè)線均在海漫末端形成最大流速。

將數(shù)學(xué)模型與物理模型各斷面流速進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可得，2-2 斷面處數(shù)學(xué)模型計(jì)算速度偏大，最小流速已經(jīng)超過(guò)實(shí)測(cè)1/2 處的流速，分析原因是由于閘墩的側(cè)收縮使水流水位略微上升，但二維模型將該處簡(jiǎn)化，此處水位低于模型試驗(yàn)值，因此流速偏大；數(shù)模其他斷面平均流速與每個(gè)斷面中間流速大小接近。因此，整體來(lái)看流速分布及大小與實(shí)測(cè)接近。

表2 二維數(shù)學(xué)模型與物理模型流速對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)防沖槽未拋填卵石、清水狀態(tài)下進(jìn)行模型試驗(yàn)，通過(guò)施放典型流量，分析9 個(gè)斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以得出：

1）槽內(nèi)整體水位變化規(guī)律：閘前兩側(cè)水位略低于中間水位，閘后兩側(cè)水位略高于中間水位；在海漫末端，水位呈現(xiàn)明顯收縮降低，并且在5-5～7-7斷面之間形成水躍，至7-7斷面受防沖槽尾端影響形成水位躍升，其后8-8與9-9斷面水位平穩(wěn)。

2）槽內(nèi)整體流速分布規(guī)律：左、右兩側(cè)沿程流速、流態(tài)基本相同，1-1～7-7 斷面中間沿程流速略大于兩側(cè)邊緣沿程流速，8-8 與9-9 斷面中間沿程流速小于邊緣沿程流速。

將數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，得出流態(tài)、水位及流速數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)一致，若能采用三維數(shù)值模擬可消減進(jìn)口連接段的誤差，此二維模型在后續(xù)的沖刷研究中可以繼續(xù)使用，與物理模型做對(duì)比研究。