基于FLOW3D模型浅析河道断面形状对河道水力特性的影响

潘馨馨　王亚琳

摘  要：由于自然地理形态各异，研究不同的河道断面形状，有利于认识了解整体河道的水力特性。该文基于FLOW3D模型，实现对5种河道断面形状的数值仿真计算结果的简要分析。通过对断面横、纵向流速的观测得出结论，复式梯形断面可作为最佳河道断面进行研究，曲线断面对河道水力特性的不利影响较为突出。

关键词：河道断面形状  水力特性  FLOW3D模型

中图分类号：TV133    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）09（b）-0033-03

1  问题的提出与分析

基于对河流动力学课程的认识[1]，由于自然地理形态各异，因地制宜而设计的河道断面形状种类多样，研究不同的河道断面形状，有利于认识了解整体河道的水力特性。在常用的河道断面形状设计上，独特的引入了曲线图形的截面组合。为了简要认识、了解不同断面形状对河道水力特性的影响，该文基于FLOW3D模型，对5种形状的河流断面进行模拟过流数值计算，分析不同断面形状对河道水力特性的影响。

由于该文只是简要分析光滑边壁情况下的不同断面形状的水力学情形，因此不考虑河道弯曲、泥沙淤积等情况。

2  建立模型

2.1 FLOW3D计算模型

FLOW3D计算模型是由Flow Science开发的计算流体力学软件，基于对完整N-S方程的數值求解，可用于水利、水环境领域的流体仿真。在该文中，使用RNG湍流模型控制流体粘度和紊流情况，模拟使用单一不可压缩流体，在河道指定位置处设置Baffle监测河道内流量;通过分析特定位置处，水体横向、纵向流速分布特点，以达到试验目的。

2.2 设计试验

设计断面形状分为基础图形和组合图形，控制渠道断面面积为同一常数，河道长度为15m。在同一初始流量下，试验中过水断面面积、过水高度不同。根据孙丽对复式河道形状的研究[2]，60°是比较理想的复式渠道设计坡角，故将截面图形中的梯形坡角均设置为60°。矩形、椭圆形、梯形为基础图形。组合形状基于梯形设计，一种为复式梯形组合，另一种为梯形与椭圆的组合。该文拟定5个断面（如图1所示）进行仿真试验。

通过初步的仿真模拟，当河道内水流流态稳定时进行数据收集，通过设定初始的边界条件，使得河道进口处的流量大致相同，设。渠道几何尺寸参数和水流运动初始设置参数如表1所示。

2.3 初始条件与观测

本计算区域采用笛卡尔坐标系，使用均匀结构化网格剖分方法，采用0.1m3×0.1m2×0.1m3正六面体结构化正交网格，不设置网格加密区域。初始化流体为常温下单一不可压缩流体，即为标准水体，并提供恒定流量。

分别在河道出入口、1/3处、2/3处设置Baffle，通过观察模型中三维水流的运动形态，当模拟河道中流体的流态稳定后，再监测通过指定位置的水力数据。以方案1矩形断面为例，试验初始化如图2所示。

3  数值模型论证

3.1 横断面流速分布

根据孙丽针对较小模型宽深比的改进仿真模拟水面流场组合[2]，该文使用k-ε模型模拟横断面的紊流。根据孙亚明绘制复式河道断面横向平均流速分布图的方法[3]，选取对称面的一半进行分析，将5种渠道断面的形状与横断面平均流速分布绘制如图3～图7所示。

通过对河道内横断面流速的比对，得到以下三点结论：

（1）在通过断面流量大小相似的前提下，矩形断面的流速最小，梯形断面其次，但梯形断面上流速波动较大，椭圆断面的流速较大且流速波动较大，符合水力学断面流速分布特点;

（2）两个组合形状截面中，复式梯形的流速略大于组合椭圆形，但是相差较小。复式梯形的流速波动较小，流速仅在靠近边壁时出现一次下降;而组合椭圆形的流速波动较大，特别是在曲率较大区域、椭圆与梯形交界区，流速波动混乱，不利于河道平稳;

（3）组合图形较之基础图形，对流速有较好的调节效果。复式梯形极大地削弱了水流在单一梯形折坡处的大波动，推断复式截面有利于河道平稳过流;

（4）椭圆与梯形的组合截面轻微减轻了水流的紊动程度，但对于降低平均流速的作用不明显，归结于曲线断面对河道水力特性的不利影响占主导地位。

3.2 纵断面流速分布

参照胡海松等人对于河道纵断面流速的分析方法[4]，当流体流态平稳后，在5组模拟试验中收集河道纵断面沿水流方向的流速，如图8所示。分析各方案流速曲线得到以下结论。

（1）水流从河道入口流入渠道后，在纵断面上的流速会逐渐增大出现第一个峰值，然后呈现缓慢减小的趋势，随后流速逐渐增大，最后在河道出口处流速会出现第二个峰值;

（2）总体上，复式椭圆、椭圆断面对河道流速的影响较大，复式梯形、梯形其次，矩形对河道流速的影响最小。推测椭圆形状对河道的不利影响较为突出;

（3）在纵断面流速的两个峰值中，下游明显大于上游，且不同断面形状的两个峰值差异不同，表明不同断面形状对上、下游河道是流速影响不同。

4  结论

4.1 FLOW3D模型的优劣

4.1.1 优点

在计算流体力学领域，基于FLOW3D模型，结合RNG湍流模型、VOF模型和k-ε模型，能在短时间内，较方便快捷地模拟计算不同河道断面对河道水力特性的影响。并且基于FLOW3D模型对于湍流模型的使用，使得仿真计算结果具有较好的准确性。

4.1.2 缺点

在仿真计算中运用FLOW3D模型，受制于正六面体结构化正交网格的划分方法，且不设置网格加密区域。对于有折坡面的渠道以及复式渠道断面，水流在折坡处位置存在不同形状、大小的二次流。由于网格形状划分的局限性，部分网格边界不能包含断面折坡位置，对于观测、仿真这些二次流的水力特性有一定影响，可能会影响对局部的流速数据的仿真模拟。

例如，如图9所示，在仿真初期的复式梯形断面的水体运动流场分布剖视图中，在明显的折坡面附近，水流出现不明显的紊动现象。而在相似的水力学实验中，在明显的断面图形变化处，往往出现明显的水流紊动。综上，受限于FLOW3D模型中的正六面体结构化正交网格的剖分方法，在局部图形变化较大的断面，水流运动仿真的准确性有所降低。

4.2 断面形状对河道的影响

（1）由于河道中不同断面形状对整体河段的影响，河道横断面流速、纵断面流速等的水力特性都发生了不同规律的变化。根据水力学试验中的水流运动规律，对比仿真试验中不同断面形状中水流的流线等水流特性，可以判断仿真试验结果总体符合水力学特性;

（2）在单一形状截面中，矩形和梯形的横、纵断面流速形态稳定，椭圆形对河道流态有较多不利影响;在组合形状中，复式梯形河道的流态较稳定，水体紊动现象较其他断面较不明显。总体而言，复式梯形河道的水流流速较缓，流速变化较小，对于河道的冲剪作用较小，可作为最佳河道断面研究;

（3）在河道中，为避免出现短时间内水体流速过大等不利现象，应避免将椭圆等曲线图形作为河道断面图形，曲线断面对河道水力特性的负面影响较突出;

（4）在实际的河道修建时，结合动能经济分析，综合考虑最优经济断面、河道淤沙等实际问题，设计最优断面形状。

4.3 不足与展望

笔者在考虑河道断面形状对河道水力特性影响的问题时，基于光滑边壁的情況提出仿真实验的相关假设，未能考虑河道中泥沙淤积、不光滑壁面摩擦等实际因素对河道水流的影响。在后期的仿真实验中，受时间所限，未能充分使用河流模型来模拟自由水面运动，没有充分发挥FLOW3D模型的特点。鉴于FLOW3D模型中网格划分方法的局限性，可结合FLUENT模型中自定的网格划分方法，对FLOW3D模型仿真结果作出补充试验。

参考文献

[1] 邵学军，王兴奎. 河流动力学概论[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2] 孙丽.复式河道水流特性数值模拟研究[D].河海大学，2007.

[3] 孙亚明.顺直型复式河道断面三种水流数值模拟方法对比研究[J].内蒙古水利，2018（9）：60-62.

[4] 胡海松，罗居刚，邰洪生，等.不同断面形状的河段对整体河道水力特性影响研究[J].水利科学与寒区工程，2018，1（10）：19-22.