分流对弯道分流口门分布的影响

孟文等

摘要：弯道水流运动所涉及的物理量较多，边界条件复杂多变，采用vof和k-ε粘度模型模拟各个工况下的弯道分流，并利用室内弯道分流水槽模型试验结果对数值模型进行验证，在模型验证的基础上增加模拟变量和工况，对影响分水口水力特性的主要影响因素分流比和分流角度进行多组模拟。结果表明：在相同的分流比条件下，当分流角为30°和120°时的最大流速值较大。

关键词：弯道；分流；流速分布；平面流速；模拟

中图分类号：TV12 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）07-0059-05

天然河流依据形态可分为弯曲河流、分汊河流、顺直河流和游荡河流四类。弯曲型河道分布非常广泛，一般多出现在河流的中下游，南运河、荆江、汉江、渭河、辽河等都是著名的弯曲型河流。

弯道水流运动的水力特性相当复杂，引水分流必然会使弯道的水流流动形态发生变化，结构更加复杂化。水利工程的引水口位置选择不恰当，就会使泥沙淤积在分流口下方，对河流主流流向和位置、河道冲淤演变等产生一系列负面影响。研究分流引水对分流弯道水流特性的影响，对水利工程的弯道改善具有非常重要的实践意义，其研究成果亦在河道的整治方面具有工程应用价值。模拟分析弯道分流口周围水流的三维流场的水力特性，旨在为解决与弯道工程有关的问题提供理论依据。

河道分流现象在自然界和水利工程中较为普遍，分水道和引水渠是一种普遍的河道分流形式。目前，国内外众多学者对弯道分流进行了深入研究，并较好的解决了实际工程应用问题，但鲜有人研究在弯道修建引水工程后引水口处的水流水力特性。根据国内外学者在弯道分流方面的经验和结果，采用数值模拟分析的方法，模拟弯道分流取水情况，并通过室内试模型验证模型的可靠性。在此基础上，模拟多组不同取水条件工况，分析弯道分流对分流口附近水力特性的影响规律。不仅能补充水流运动理论，很好的解决弯道取水问题，而且对工程实际和生产研究有重要意义。

1 弯道分流对比试验

与本数值模拟研究对比验证的物理模型试验已于2007年1月完成，主要由干水槽和支水槽所组成，干槽用于正常过流，主要由上、下游过渡直断和弯道段组成，均为有机玻璃制造。根据天然河流弯道中心角出现的频率，选择弯道模型的中心角为60°。弯道的过水断面为矩形，底宽0.60 m、高0.40 m，弯道中心线曲率半径与底宽比值为2.5。取水口的位置选择在与弯道起始处成45°角的凹岸处，并使弯道的中心线与取水口的中心线夹角为45°。在天然河道中，该布置形式能最大限度的引水防沙，避免泥沙进入取水口。模型上游进口处设有2道稳流栅和4 m长的过渡直段，避免进口水流的紊动对弯道水流产生干扰；为使弯道出口水流有足够的过渡段进行环流衰减，出口水流平顺下泄，在弯道出口段设置4 m长的过渡直段，过水断面尺寸与弯道断面尺寸相同。分流支槽底宽0.30 m、高0.40 m，中心线长2 m。在干槽和支槽的末端处均设置尾门，以控制水槽水深，防止尾水跌落对上游水流流态产生影响。

模型平面布置情况如图1—2所示。

设试验分流比RQ分别为0.11，0.23，0.42，相应水力要素如表1所示。控制利用尾门实现，上游来流水与分流口下游的水深基本一致。分流比定义为流量Q之比：η=Q支/Q干。式中：Q干为上游干槽流量；Q支为支水槽流量。

2 模拟方案制定

依靠AutoCAD对水槽进行三维建模，验证物理模型。对CAD建模而言，其几何要素根据目标物理模型来完成确定。保留45°分流角，对弯道分流口特性进行深入研究。另增设30°、60°、90°、120°四种分流角度的模型水槽，水槽模型模拟的何要素见表2。模拟时考虑气相、液相两相流，并留有相应的空间给气体入口，建模的高度取40 cm。水槽模型见图3。

5个水槽均采用六面体结构网格划分，并在分流区做加密处理。采用VOF法追踪自由水面，计算速度入口边界条件按设计方案给定，即9种分流比工况。

3 分流对弯道分流口附近平面流速分布的影响

弯道纵向流速的流场分布问题是弯道水流结构中相当重要且极复杂的问题，对研究弯道水流水力特性有着极其重要的影响。弯道引水分流，必然使弯道主流线的位置发生改变，从而导致整个弯道的水流结构发生变化。

一般来讲，在顺直进口段，纵向流速沿河宽呈对称分布，入弯后凸岸流速稍增而凹岸流速稍减。至某一部位后，又出现相反的调整，流速分布趋于均匀，且主流线渐渐向凹岸贴近。出弯后的水流在相当长的距离内，最大流速仍靠近凹岸。

模型上游进口处设有2道稳流栅和4 m长的过渡直段，弯道出口段设置4 m长的过渡直段，过水断面尺寸与弯道断面尺寸相同。弯道模型中心角为60°，弯道的分流口与中心线夹角45°，弯道的过水断面为矩形，底宽0.60 m、高0.40 m，弯道中心线曲率半径与底宽比值为2.5。分流支槽底宽0.30 m、高0.40 m，中心线长2 m。弯道分流角度分别为30°，45°，60°，90°，120°时，在分流比相同的情况下，对比不同分流角条件下的附近水平面流速分布，结果如4—6所示。

从图4—6可以看出，在相同的分流比条件下，随着分流角度的增加，近底层（z/h0=0.04）、中间层（z/h0=0.4）、近表层（z/h0=0.8）均出现回流区，且流速最大值表现出相同的变化规律，即当分流角为30°和120°时的最大流速较大，而分流角为45°，60°，90°时的最大流速值较小。

4 结论

利用数值模拟的方法，采用vof和k-ε粘度模型模拟弯道分流各个工况下的弯道分流，探讨相同分流角度对不同分流比工况下的分流口门附近平面流速的影响，以及同一分流比对不同分流角度工况下的分流口门附近平面流速的影响，使模拟具有普遍性和有效性，体现了数学模型的灵活性及便捷性。经过模拟得出以下结论：

1） 弯道水流的平面流速分布为表层流速大于底层流速，弯道水流的平面流速变化总体相同，上层水体流速大于下层水体，即中间层流速（z/h0=0.4）大于近表层（z/h0=0.8），近表层流速（z/h0=0.8）大于近底层流速（z/h0=0.04）。取水口口门上游弯道段的弯道入口附近，受惯性作用的影响，平面流速较大，随后由于离心力的作用，凹岸侧水位开始增加，动能逐渐转化成势能，流速开始减小，水位达到最高后受惯性力的影响，水位降低流速增大，且在弯道边壁折冲的作用下向弯道凸岸运动。

弯道水流具有复杂的三维特性，引水分流使其水流结构更加复杂。进入分流口的水流由于惯性作用与支水槽左侧边壁碰撞后发生转折，在支水槽右侧边壁处形成回流区，支水槽上层回流区大于下层回流区。分流比值越小，则取水支流越易形成回流区，随着分流比的增大，回流区逐渐减小。分流比越小，则支流断面平均流速越小，与上游原河道平均流速的差值越大，更易形成湍流和回流。

2） 在相同的分流比条件下，随着分流角度的增加，近底层、中间层、近表层均出现回流区，且流速最大值表现出相同的变化规律，即当分流角为30°和120°时的最大流速较大，分流角为45°，60°，90°时的最大流速值较小。

参考文献

[1] 陈娟，郭维东.弯道分流时支汊河段水流流态研究[J].人民长江，2008，3（1）：3-6.

[2] 杨光泉.分流对弯道水流紊动强度影响的试验研究[J].吉林水利水电，2009，10（3）：9-12.

[3] 林小平.弯道水流的数值模拟及沿河路基冲刷机理分析[J].同济大学学报（自然科学版），2007，11（1）：5-11.

[4] 谷攀.弯道分流口表层水流速度场数值模拟[J].内蒙古农业大学学报，2011，7（1）：2-3.

[5] 谭玉柱.明渠弯道水流三维数值模拟[J].水运工程，2012（3）：464.

[6] 王军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2004.

[7] 罗忠，蒋昌波.平原分汊河道水流数值模拟及应用[J].长沙学院学报（自然科学版）， 2005，20（3）：92-96.

[8] 茅泽育，赵升伟.明渠交汇口水流分离区研究[J].水科学进展，2005，16（1）：7-12.

1） 弯道水流的平面流速分布为表层流速大于底层流速，弯道水流的平面流速变化总体相同，上层水体流速大于下层水体，即中间层流速（z/h0=0.4）大于近表层（z/h0=0.8），近表层流速（z/h0=0.8）大于近底层流速（z/h0=0.04）。取水口口门上游弯道段的弯道入口附近，受惯性作用的影响，平面流速较大，随后由于离心力的作用，凹岸侧水位开始增加，动能逐渐转化成势能，流速开始减小，水位达到最高后受惯性力的影响，水位降低流速增大，且在弯道边壁折冲的作用下向弯道凸岸运动。

弯道水流具有复杂的三维特性，引水分流使其水流结构更加复杂。进入分流口的水流由于惯性作用与支水槽左侧边壁碰撞后发生转折，在支水槽右侧边壁处形成回流区，支水槽上层回流区大于下层回流区。分流比值越小，则取水支流越易形成回流区，随着分流比的增大，回流区逐渐减小。分流比越小，则支流断面平均流速越小，与上游原河道平均流速的差值越大，更易形成湍流和回流。

2） 在相同的分流比条件下，随着分流角度的增加，近底层、中间层、近表层均出现回流区，且流速最大值表现出相同的变化规律，即当分流角为30°和120°时的最大流速较大，分流角为45°，60°，90°时的最大流速值较小。

参考文献

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[8] 茅泽育，赵升伟.明渠交汇口水流分离区研究[J].水科学进展，2005，16（1）：7-12.

1） 弯道水流的平面流速分布为表层流速大于底层流速，弯道水流的平面流速变化总体相同，上层水体流速大于下层水体，即中间层流速（z/h0=0.4）大于近表层（z/h0=0.8），近表层流速（z/h0=0.8）大于近底层流速（z/h0=0.04）。取水口口门上游弯道段的弯道入口附近，受惯性作用的影响，平面流速较大，随后由于离心力的作用，凹岸侧水位开始增加，动能逐渐转化成势能，流速开始减小，水位达到最高后受惯性力的影响，水位降低流速增大，且在弯道边壁折冲的作用下向弯道凸岸运动。

弯道水流具有复杂的三维特性，引水分流使其水流结构更加复杂。进入分流口的水流由于惯性作用与支水槽左侧边壁碰撞后发生转折，在支水槽右侧边壁处形成回流区，支水槽上层回流区大于下层回流区。分流比值越小，则取水支流越易形成回流区，随着分流比的增大，回流区逐渐减小。分流比越小，则支流断面平均流速越小，与上游原河道平均流速的差值越大，更易形成湍流和回流。

2） 在相同的分流比条件下，随着分流角度的增加，近底层、中间层、近表层均出现回流区，且流速最大值表现出相同的变化规律，即当分流角为30°和120°时的最大流速较大，分流角为45°，60°，90°时的最大流速值较小。

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