開放渠道導流墩對流道特性的影響

摘要：在水利工程領域，深入探究導流墩對基樁附近區域過流情況的影響具有重要的意義，以南水北調中線工程里特定一處倒虹吸出口區域當作研究范例，利用Fluent軟件對該區域過流情況進行三維仿真分析。研究表明，導流墩的設置有著顯著的效果，安裝導流墩不僅可將倒虹吸區域最大流速從2.54"m/s提升至2.66m/s，有效增強了水流的流動性，而且還成功地讓紊流區域得以消除，使得水流狀態更為平穩有序。這一研究成果對于在相似河道渡槽局部流態方面的改良工作極具參考價值，能夠為后續相關水利工程的規劃、設計以及優化提供科學且可靠的依據。

關鍵詞：渡槽導流墩；南水北調；Fluent軟件；仿真分析

中圖分類號：TV314"""""""""""""""""文獻標志碼：A

2020年，南水北調中線工程在大流量供水期間[1]，在渡槽和倒虹吸出口處，由于基樁的影響頻繁出現卡門渦街現象，導致水流紊亂，甚至出現水流漫槽的情況，影響了正常的輸水能力和效率[2、3]。

通過調研，發現針對上述情況可以在渡槽承重墩或基樁后側安裝導流墩，改善局部流動狀況[4～6]。導流墩是一種安裝在橋墩、基樁下游側，用于分水導流的功能性結構，其本身并不承受上層建筑的載荷，因此可以在橋梁、渡槽等結構施工完成后再單獨設計安裝。

本文基于南水北調中線工程中某處倒虹吸的導流墩安裝工程，借鑒前人的研究方法[7～9]對安裝導流墩和未安裝導流墩兩種情況分別建模，在相同邊界條件下對相同區域的水流速度和水流體積分數的分布情況進行三維仿真分析，以得出導流墩對水流流態的影響，通過仿真分析的結果驗證該導流墩工程的必要性。

1施工現場概況及導流墩的結構設計

南水北調該倒虹吸及其出口處出現的卡門渦街現象如圖1所示，該倒虹吸上游渡槽及渡槽出現的漫槽現象如圖2所示。

本次使用導流墩均為3D規格（墩長為3倍閘墩厚度），該導流墩整體為錐體，前部扶靠與閘墩下游側壁上，后部截面成三角形逐漸收縮。導流墩整體為多層結構，每層預制成型后，由現場自下而上層層摞疊后鎖緊加固而成，導流墩模型圖如圖3所示。

施工現場位于南水北調河南局某處倒虹吸出口處，倒虹吸出口導流墩共3個，中間縫墩后導流墩長8.96m，左右兩邊中墩后的兩個導流墩長5.4m，導流墩安裝現場如圖4所示。

2"構建模型與邊界條件設定

為全面分析導流墩結構對該倒虹吸區域水平、縱深兩個方向的過流特性的影響，本文采用三維仿真的方式對導流墩附近區域進行分析[10]。

模擬的區域總長度為76.5m。首先用Solidworks畫出導流墩安裝前后的1：30三維比例模型，然后將模型導入Fluent軟件中進行四面體網格劃分。安裝導流墩的前后的模型如圖5、6所示。

設定邊界條件如下：將流體上游入口命名為inlet，邊界條件設置為pressure-inlet；將流體下游出口命名為outlet，邊界條件設置為pressure-outlet；將上表面命名為open，邊界條件設置為pressure-outlet。將渠底和渠坡的糙率設定為0.15，在流體區域加入流體-液態水，并在多相流中將空氣設置為首要相，水為次要相；通過現場測量，設置模型入口流速v為1.5m/s（根據當前水位多點測量得到的速度均值）。

3"仿真結果分析

3.1水流速度分布情況分析

在相同的水流速度下，在YZ面X方向中心位置處得到的水流速度仿真圖如圖7、8所示。由圖7、8可以看出，在未安裝導流墩的模型中，出水口中部區域從6m左右開始有一處月牙形低流速區域，深度從2m延伸至4m左右，低流速區域的平均流速約為1.27m/s，下方高速區域平均流速約為1.6m/s。而安裝導流墩后該區域消失，且水流流速在垂直面上分布更加均勻，平均流速約為1.52m/s。

在XZ面Y方向中心位置處得到的切面水流云圖如圖9、10所示。由圖9、10可以看出，未安裝導流墩前，該區域最大流速為2.54m/s，出現在相鄰兩基樁中間區域的入口處和出口處；安裝導流墩后，最大流速出現在相同區域，最大流速為2.66"m/s。

當水流通過倒虹吸后，兩種情況的水流速度均有大幅下降。未安裝導流墩時，渠道中央區域的速度下降至1.52"m/s左右；速度分布出現明顯規律，即渠道中央水流速度較高，兩側流速較低，隨著水流向下游流動，各位置流速趨于平均。安裝導流墩后，渠道中央區域的速度下降至1.35"m/s左右；對比未安裝導流墩的模型，渠道中央水流速度于兩側流速差距較小，隨著水流向下游流動，各位置流速快速平均。這表明，安裝導流墩能夠有效穩定水流速度。

3.2水流體積分數分布情況分析

在氣液兩相的流體狀態分析中，可以通過觀察液相體積分數的分布情況直觀地展示固液分離過程，對研究水渠水流情況有更直觀的感受。水流體積分數分析結果如圖11、12所示。

由圖11、12可以看出，在沒有安裝導流墩前，出口處基樁后側產生較大區域的低水流體積分數區域，即該區域出現湍流且空氣分數較大，該情況與速度分布圖中水流速度較低的區域重合。安裝導流墩后該區域消失，水流以較為穩定的狀態向下游流動。

在倒虹吸下游，兩種模型的水流體積分數在靠近岸邊的位置均出現全空氣區域，而安裝導流墩的模型中全空氣區域被水流分割成兩個區域，這證明導流墩一定程度上抬高了水流高度，有利于渠道過流。

結語

本文通過分析有無導流墩結構下倒虹吸上下游區域的水流速度和氣液分數情況，得出如下結果：①安裝導流墩后，水流速度在垂直面和水平面上更加均勻，無明顯速度激變，且最大流速從2.54"m/s增加到2.66m/s；②安裝導流墩后，在閘墩下游側的空泡區域消失。該結果表明安裝導流墩結構不僅可以提高倒虹吸區域的過流效率，還可以減少由于空泡效應帶來的對閘墩下游側的侵蝕，進而可提高結構壽命和安全性。該研究結果可為后續河道大流量輸水期間局部流態紊亂問題的解決以及相關方案的進一步優化提供參考。

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作者簡介：張永昌（1972—"），男，漢族，河南鄭州人，本科，高級工程師，研究方向：水利工程。