矩形明渠跌水压力分布特性数值模拟研究

时间：2024-05-19

乔丹

（杨凌职业技术学院，陕西咸阳 712100）

0 引言

我国丘陵塬坡地区较多，在修建灌溉渠系工程时，跌水常作为上下游水流衔接的落差建筑物而被应用其中。在明渠中设置跌坎后，水流流经跌坎时形成自由跌水现象，跌坎上游附近的水流受到重力作用的影响而产生明显的加速流动，从缓流转变为急流，水面降低，跌坎处流线急剧弯曲，流态较为复杂。基于明渠跌水的水流流态和水力特性，采用能量方程、动量方程等方法对跌水测流问题进行了理论分析研究。试验证实，跌坎上游流速均匀断面到跌坎处断面之间，沿程各横断面压力分布不再符合静水压力分布规律。因此在明渠跌水流量理论计算方法的推求中，其关键问题是如何解决跌坎处压力分布非静压分布规律的难题，单纯依靠试验难以准确测定压力分布特性，可借助紊流数值模拟来获得跌坎处压力分布特性，为明渠跌水测流水力计算提供基础。

本文采用k-ε双方程紊流模型，结合VOF方法对矩形明渠自由跌水的水流流态进行了三维数值模拟，得到了矩形明渠自由跌水的渠道横断面压力分布特性，并将计算结果同模型试验值进行了比较，为矩形明渠跌水测流理论计算奠定基础。

1 数值模拟计算模型及工况

1.1 计算模型介绍

为了与试验数据进行对比，对计算结果进行验证，计算模型与试验模型基本一致。选择的模型依然是矩形渠道，在跌坎处分为两个部分，上游段为矩形明渠，选择的渠道的长度为40 m，明渠的宽度为0.3 m，渠道高度为0.1～1.0 m；跌落水舌不受限制，所以在跌坎处两侧各外扩0.15 m，跌坎下游的渠道的宽度为0.6 m，跌坎高度为0.6 m，下游段长度取为5 m。计算模型如图1所示（以渠道高度0.4 m为例）。

图1 矩形明渠自由跌水三维计算模型

1.2 模拟工况

选取十个不同的坡度，每个坡度上对应五个流量进行计算。总共建立了50个矩形明渠跌水模型进行模拟计算。具体的模拟计算工况见表1。

表1 计算工况表

2 计算结果及分析

在计算结束后，用Teclopt对计算结果进行处理。根据计算结果，对矩形明渠自由跌水过程中的压力分布特性进行分析。

2.1 渠道横断面压力分布特性

本文计算了矩形明渠自由跌水的渠道纵、横断面压力分布，并同模型试验进行了比较。

计算所得渠道沿程不同横断面的压力分布等值线图如图2所示（S=0.005，Q=7 0L/s）。

图2 跌坎上游不同横断面压力分布等值线图（S=0.005，Q=70 L/s）

从图中可以看出，在距离跌坎较远处，渠道内的水流未受到跌坎的影响，各个横断面压力等值线互相平行。在跌坎附近由于受到重力和惯性力的作用，压力分布发生变化，横断面压力等值线向两侧倾斜，同一水深处靠边墙两侧的压力小于中间位置处的压力。跌坎处距离渠底一定距离处出现压力最大值。

2.2 沿程不同断面竖向压力分布特性

从图2可知，明渠跌水时，各横断面竖向压力分布发生了明显变化，因此，图3～图5给出了更加直观的各个断面压力竖向分布变化规律。由于试验中测压孔布置有限，无法对竖向压力分布进行详细研究，因此通过数值计算对此进行分析。

由图4和图5中可知，压力数值计算值与实测值吻合良好。

由图3～5可知，跌坎边缘（x=0）处的压力分布近似于抛物线型，在距离渠底某一高度处出现最大值，该断面的平均压力值小于静水压力分布的平均压力。距离跌坎越远，水流所受跌坎的影响越小，在距离跌坎一定距离时，压力的垂向分布近似直线分布。在负坡和平坡中由于不存在均匀流，因此其压力分布并非静水压力分布，只是呈线性分布，其压力值小于静水压力；而正坡渠道中，距跌坎一定距离后产生了均匀流，因此其压力分布为静水压力分布。从图中可以看出，在距跌坎5 cm的范围内，水压力分布由跌坎处的抛物线型分布逐渐向直线型分布过渡。

在同一水深位置处，距离跌坎越远，压力越大，并且越向上游，压力增大的幅度越来越小。在负坡渠道中，由于渠道中的水深从跌坎向上游沿程一直增加，距渠底同一高度的位置其与水面的距离沿程是不断增加的，因此，距渠底同一高度位置处的压强沿程一直增加，如图3所示。在平坡渠道中，距离跌坎约5 m之后，由于渠道中的水深变化较小，因此渠道中各横断面压力分布变化较小，如图4所示。对于正坡渠道而言，当S=0.0240时，距跌坎0.22 m之后，横断面压力分布已无明显变化，断面x=-0.42 m的压力分布与断面x=-8.00 m的压力分布几乎完全相同（见图5）。

图3 S=-0.0112、Q=80.00 L/s时不同断面压力竖向分布

图4 S=0、Q=66.12 L/s时不同断面压力竖向分布

图5 S=0.0240、Q=58.91 L/s时不同断面压力竖向分布