浅层水库几何形状和水力特性对泥沙截留的影响

2022-12-02柯春光

水利科技与经济 2022年11期

柯春光

(新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830000)

1 概述

多用途水库的关键问题之一是泥沙沉积和沉积管理[1-2]。浅层水库作为具有恢复颗粒能力的水库已被广泛应用，同时还可用作储水池、沉淀池和供水系统中的服务水库。为了合理预测泥沙沉积量和沉积模式，应正确识别水库的水动力，同时还需要研究主射流的流型、速度、涡旋和回流区，其基本参数之一是几何形状，包括水库的一般形状以及入口和出口的位置。

为此，许多学者开展了大量研究。于洋[3]对明渠水流和泥沙沉积进行了数值模拟。李慧超[4]研究了浅矩形水库宽度的影响，以观察沉积行为，结果发现对称几何形状并不意味着流型必须对称，通过减小水库宽度，沉积可能变得不对称。杨帆等[5]定义了浅层矩形水库的形状参数，并通过试验表明形状参数大于6.8的水库容易发生泥沙淤积。

由于水库结构的几何形状以及水力条件和泥沙特性，预测沉积和侵蚀仍然是一个巨大的挑战。因此，本文针对浅层水库的尺寸和几何形状对其内部水流水力和泥沙分布的影响进行研究。

2 模拟方法

本文使用的计算流体动力学(CFD)软件包基于求解N-S方程，而不可压缩牛顿湍流的控制方程由三维形式的连续性、动量和对流方程组成。为了对湍流进行建模，采用基于Smagorinsky子网格尺度(SGS)的大涡模拟方法(LES)。LES方法基于求解大型涡流和建模小型涡流，这是通过在控制方程上施加滤波器来完成的。Smagorinsky方法假设小尺度涡流的能量和耗散处于平衡状态。

本文实施的另一个基本方程是泥沙冲刷模型。泥沙输移计算包括3个部分，即夹带与沉降、悬移质输移和推移质输移。在夹带过程中，湍流涡流将颗粒从填充河床中带走，并将其输送至悬浮液中。然后，悬浮沉积物在河床上方特定高度处被水流输送，沉积是沉积物从悬浮液中沉降出来后的最后一步。

3 数值建模

在本研究中，使用RANS-VOF模型针对浅层水库的尺寸和几何形状对水流水力和泥沙分布的影响进行模拟，并分别测试了3种不同的几何形状和尺寸，见表1。入口处的初始泥沙浓度为3 kg/m3；当初始水位为0.2 m时，水库壁的高度和入口处水流的泥沙负荷在0.3 m处相同。定义的边界条件如下：侧壁y对称；流体分数为零的规定顶压；Xmin入口边界条件被视为是规定压力与停滞；恒定流体高度为0.2 m；Xmax入口边界条件被视为流出。

表1 水库的几何形状

本文研究了改变3个参数(包括偏心率(G/D)、尺寸比和流量)的影响，并基于全因素法，针对每一种几何形状和流速，试验不同的G/D，共进行42次模拟，以观察其对泥沙沉积的影响，见表2。

表2 试验设置

通过比较沿X轴的速度，对每种构型进行网格收敛。考虑4种不同的网格尺寸，总单元数分别为2.0×104、1.0×105、1.5×105和2.0×105(案例1-案例4)，见图1。图1显示出每个网格尺寸的收敛结果，案例2-案例4的结果非常相似(差异小于3%)。为了使模拟具有时间效率，选择案例2作为目标网格尺寸。

图1 不同单元尺寸的网格收敛

为了验证模型的正确性，选择尺寸为6 m×2 m的G1水库，对数值模拟和试验模拟水库的泥沙量进行比较。图2为4.5 h后，在y=1 m横截面上水库河床上累积泥沙的剖面。

图2 数值和试验数据的水库泥沙沉积剖面

图2中，横轴为水库长度，纵轴为1 m处横断面沉积泥沙量。由图2可知，数值模拟具有合理的精度(与试验数据的平均差异小于5%)，并且被略微高估，但从安全系数来看，这是可靠的。

4 结果与讨论

4.1 尺寸比的影响

截留泥沙的一个重要参数是水库的几何形状。本节研究不同水库几何形状(G1、G2、G3)的长度、宽度、流速7 L/s和G/D=2的影响。图3为3个水库的泥沙沉积量与时间的关系。由图3可以看出，在所有水库中，泥沙沉积量均随时间的推移而增加。G372水库拦沙率为72.51%，G172和G272水库的拦沙率分别为71.1%和62%。通过对比G2、G3和G1、G3水库，显示了长度和宽度对泥沙截留量的影响。对比结果表明，长度增加100%，效率提高10%；宽度增加100%，效率仅提高1.4%，说明拉伸型水库具有更好的拦沙能力。

图3 0～2 000 s下 3个水库的泥沙沉积量

4.2 G/D比率的影响

G3水库在控制泥沙量方面比其他水库具有更好的能力。本节研究改变G/D比率对G3水库泥沙沉积能力的影响，本节中的建模是针对具有相同流速(7.0 L/s)的5个G/D比率进行的。图4(a)、图4(b)分别为G374和G3716水库中泥沙沉积的数量。由图4(a)、图4(b)可知，流体中泥沙负载的体积分数在入口处较小，并且随着距离的增加而增加，这可以归因于入口处的流速较高。

图4 水库泥沙沉积规律

表3为具有不同G/D比率的水库泥沙沉积量，结果表明所考虑的具有不同G/D的水库在控制泥沙负荷方面的能力。由表3可知，G/D=16的水库拦沙效率为73.94%，而G/D=0的水库拦沙效率则为72.34%。

表3 不同G/D比率下水库拦沙效率

4.3 改变流入流量

本节研究改变流入流量对泥沙沉积模式的影响。为此，研究G3水库中3种流速(7、35和63 L/s)的影响。由于流入泥沙量为3 g/L的恒定值，通过增加流入流速，有更多泥沙进入水库。图5为G3716水库中特定点的水流动能和阻力系数。

图5 G3716水库中M点的动能和阻力系数的变化

在图5(a)中，由于泥沙随着时间的推移而累积，M点处的动能减小；但在图5(b)中，阻力系数逐渐增大。当阻力系数增加时，动能随时间推移而减小的原因是水流中泥沙的体积分数。随着泥沙负荷的体积分数随时间增加，流体的黏度也随之增加，这将导致动能减少和阻力系数增加。此外，动能和阻力系数波动的原因是在这一小段时间内泥沙量的变化。

图6为3种不同流量的3个水库泥沙物沉积量的最终结果。由图6可知，通过增加流量，即增加流入弗劳德数，水库的拦沙效率将大幅降低。

图6 不同流速下G3水库泥沙物沉积量

4.4 变量敏感性

参数的敏感性可以表明系统如何通过最小化工作量来提高效率，以及哪些变量对变化更敏感。图7为影响泥沙沉积的参数敏感性。由图7可知，流量比尺寸比和偏心率(G/D)对变化的敏感性更高，说明改变流速可能是截留沉积物最有效和最简单的方法。这意味着与流体从入口到出口所需的时间有关，即流体在水库中保存的时间越长，截留的沉积物就越多。