防冲槽的模型试验与二维数值模拟

李娟

（新疆水利水电科学研究院，新疆乌鲁木齐830000）

1 概述

山区河流在汛期时，水中泥沙、推移质含量较多，增加了对河床的冲刷程度，致使水工建筑的寿命大为缩短。因此，很多学者对冲刷问题进行研究，例如陈卓英[1]，通过水槽试验对消力池进行型式优化，降低了消力池内水流流速，而且减轻了下游海漫段和防冲槽的消能压力。王协康[2]，通过水槽试验，探讨了漂石颗粒对河床冲淤的影响，对比分析了不同水沙条件下漂石对推移质输沙率过程的影响。蒙文宾[3]，采用VOF 法对消力池流场进行三维数值模拟，结果与水力学计算基本吻合。

为了探究适用于新疆多沙河流的防冲槽，本文首先对清水时未抛填卵石的防冲槽进行试验和数值模拟[4，5]，得到水流的流态、流速分布情况，为后期的研究做铺垫。

2 模型设计

3 防冲槽二维模型建立

3.1 模型建立

首先进行二维模型的计算与调试，模拟防冲槽未抛填卵石，为清水的工况。在数值模拟中，对形式简单的装置或建筑物采用二维数值模拟可以大大节省计算时间。

依据具体尺寸，按照1∶1 的比例绘制工程图，建立数学模型，如图1 所示。X，Y两个方向分别为防冲槽的纵向、高度，X方向分别向上、下游延长80 m，减小进出口对结果的影响，则X坐标范围为-88.8～215.0 m，Y坐标范围为916.5～937.5 m。

图1 抛石防冲槽二维模型示意图

3.2 网格划分

主要采用四边形规则网格，防冲槽后半部分采用不规则网格进行划分，在上下游水位附近网格划分较为密集，网格数总共3.7 万，如图2 所示。

图2 区域网格划分

3.3 边界条件

1）进口边界。进口边界分为两部分：一部分为空气进口，设置为大气压力进口；另一部分为水进口，设置为速度进口，速度大小依据实测水位与流量计算出断面平均流速。水进口为速度进口，空气进口为大气压力入口。速度计算：流量Q=220 m3/s，A过水断面面积=B（过水宽度）×H（水深）=37×2.88=106.56 m2，v=2.829 m/s。

2）出口边界：出口部分分为大气压力出口或大气压力出口与水压力出口结合，其中水压力与出口水深有关。

3）固体边壁：闸室、防冲槽、河床底部及侧面均为固壁，其边界条件按固壁函数处理，壁面处为无滑移边界，对靠近壁面区域则采用标准壁面函数方法来处理。壁面粗糙高度设置为0.001 m，均匀分布。

4）自由表面：渐变段、连接段和进出口及下游渠道与大气接触，设置为压力入口。

3.4 数值方法

采用显式、k-ε紊流模型，采用VOF 法追踪自由液面。

4 结果对比

4.1 流态及水位

流量为220 m3/s 时，待水流稳定后，观察水流通过闸室以及坡比为1∶4 的护坦后，流速增大，水深减小，流入防冲槽后水流发生混掺波动剧烈，流入河床部分后，能量快速消散，水流逐渐平稳。

(1)使用时间序列微观数据来研究中国农村收入不平等得到的结果更为精准与可靠，研究结果表明1986—2003年间中国农村地区收入不平等不断扩大，而2003—2014年呈不断缩小的趋势，但是目前的收入不平等仍然较大。通过基尼系数可知，目前的收入不平等仍处于收入差距较大的区间，并且高于国际警戒线，虽然开始逐渐缩小，但是这个缩小的速率在降低，未来收入不平等下降可能趋于平缓，还需进一步采取措施降低中国农村地区的收入不平等。

从上游至河床共选取9 个断面进行量测，在水位波动较大处多次读取，取平均值。受闸墩影响，中间水深略小于两侧水位。自1-1 断面至9-9 断面，左侧水位由932.91 m 逐渐变化到930.63 m；自0+000 断面至0+100.32 断面，右侧水位由932.94 m逐渐变化到930.51 m，中间水位由932.88 m 逐渐变化到930.54 m；槽内整体水位均没有大的波动。

将数值模拟结果与实测水位进行对比，如表1所示。通过对比可知，数值模拟结果与实测个别断面误差较大，大部分误差小于5%。对比可知，闸前水位偏低，因为通过二维模型简化后，不能模拟出闸孔对水流的束窄作用，但闸前水位对整体模型影响不大。6-6 断面数值模拟与试验值相差较大，由于模型试验时该处水位波动幅度较大，取平均值作为结果，而数学模型水位在该处较稳定，水位有偏差，误差稍大。

表1 二维数学模型与物理模型试验水位对比

4.2 流速

物理试验：每个断面取左、中、右3 个测线，水深较深处增加2 个测点，1/2 水深和2/3 水深。自1-1 断面至 9-9 断面，左侧流速由 2.86 m/s 逐渐增加到7.98 m/s 又减少为0.81 m/s，右侧流速由2.70 m/s 逐渐增加到 7.64 m/s 又减少为 1.18 m/s，中间流速由3.26 m/s 逐渐增加到7.98 m/s 又减少为0.79 m/s，3 个测线均在海漫末端形成最大流速。

将数学模型与物理模型各断面流速进行对比，结果见表2。由表2 可得，2-2 断面处数学模型计算速度偏大，最小流速已经超过实测1/2 处的流速，分析原因是由于闸墩的侧收缩使水流水位略微上升，但二维模型将该处简化，此处水位低于模型试验值，因此流速偏大；数模其他断面平均流速与每个断面中间流速大小接近。因此，整体来看流速分布及大小与实测接近。

表2 二维数学模型与物理模型流速对比

5 结语

对防冲槽未抛填卵石、清水状态下进行模型试验，通过施放典型流量，分析9 个断面的监测数据可以得出：

1）槽内整体水位变化规律：闸前两侧水位略低于中间水位，闸后两侧水位略高于中间水位；在海漫末端，水位呈现明显收缩降低，并且在5-5～7-7断面之间形成水跃，至7-7断面受防冲槽尾端影响形成水位跃升，其后8-8与9-9断面水位平稳。

2）槽内整体流速分布规律：左、右两侧沿程流速、流态基本相同，1-1～7-7 断面中间沿程流速略大于两侧边缘沿程流速，8-8 与9-9 断面中间沿程流速小于边缘沿程流速。

将数值模拟结果对比，得出流态、水位及流速数值模拟与模型试验一致，若能采用三维数值模拟可消减进口连接段的误差，此二维模型在后续的冲刷研究中可以继续使用，与物理模型做对比研究。