白向华

(江西省水利水电建设有限公司，江西 南昌 330200)

根据2018年水利部统计数据，我国灌区覆盖面积已达0.678亿hm2，面积位居世界第一。农业用水是我国水资源利用的主要去向，我国每年使用的水资源量，超过2/3的部分被用于农业灌溉。为了合理利用水资源，大大小小的灌区配套工程逐步建设完善，其中最重要的部分就是渠道工程。渠道的建设可以保证水流到达各种类型的灌区。为了研究水流流经渠道，尤其是弯道处的水力特性，研究灌区水渠弯道处水流运动状态具有相当重要的现实意义和实践价值。考虑到以往研究均从一维或者二维角度出发，未能从三维的全面立体角度进行深入研究，因此，本文以FLUENT模型为基础，建立灌区水渠弯道处水流三维数值模型，以探究其水力特性。希望通过本研究，为农田水利工程规划、设计和建设工作助力。

1 模型建立

1.1 工程概况

本文选取的灌区地处我国江西省中部，南面临近赣江。灌区设计灌溉面积32.27万hm2。多年平均降水量为958mm，其中超过75%以上的降水量发生在5—9月(汛期)。

研究选取的灌区水渠弯道段长度为64m，设计底宽为6m，渠道深度为5.5m，边坡比降0.2‰，边坡系数在1.5～1.75之间，渠道横断面为近似等腰梯形。转弯角度为60°，转弯半径在38.2～78.6m之间。

1.2 数学模型

本次模拟采用的模型为FLUENT，FLUENT模型的控制方程主要为流体力学中经典的质量守恒、动量守恒和能量守恒3大方程。在弯道时，还应考虑水流的脉动影响，故还应考虑紊流模型，4个模型的表达式分别如下。

质量守恒：

(1)

式中，ρ—密度，对于水流而言，可以近似当作不可压缩的流体，因此其密度不变；u，v，w—x，y，z3个方向的水流速度分量。

动量守恒：

(2)

式中，Fi—单元体积流体微粒的质量力；Pi—单元面积流体微粒的压力。

能量方程：

(3)

式中，φ，Γ，S—通用变量，扩散系数和源相。

紊流模型：

(4)

式中，Gk，Gb—湍动能引起的量；YM—可压缩流体的脉动。

1.3 计算设置

FLUENT模型在水流三维模拟中最为关键的步骤就是网格划分，模型中网格基本形式为非结构四面体。网格的疏密将会直接影响模拟结果的质量，若网格密度太小，会影响模拟的精度，若密度太大，则会造成计算时长指数倍增加，而不利于提高研究效率。研究在兼顾模拟效果和保证模拟精度的情况下，模拟在自由水面局部适当地加大网格密度。共设置63337个节点，336128个单元四面体。模型横断面近似等腰梯形，设置水流以自由出流的方式进出上下游边界。渠道两岸边界条件设为壁面。因渠道衬砌多采用混凝土材料，因此设定其当量粗糙度为1.8mm。

2 结果分析

2.1 纵向水面线分析

对于明渠水流而言，根据水力学中弯道水流的特性可知，水流在经过弯道时，由于惯性力和离心力的相互作用，水流会和水面表层的气体发生掺混现象，通过建立模型可以得到弯道处水流的水和气两相的空间分布情况，如图1所示。

图1 弯道处的水气两相分布图

图2 不同流量条件下两岸水面线图(纵向)

图2中，横坐标表示渠道的长度，本次模拟渠道长度为65m，纵坐标表示水位。从凹岸的纵向自由水面线可知，流量为20、30、40m3/s对应的水位表现出一致的变化趋势，均为先升高到一定的阈值高度之后转而降低，3种工况下水位的最高点均出现在33m的位置。相应地，凸岸的纵向自由水面线在一致的流量情况下，水位均呈现出先降低后升高的趋势，同样地，在33m位置达到水位达到最低值。

图3 弯道处的水面图

结合凹岸和凸岸的水面线变化情况可知，当水流经过弯道时，其水面并非平面，也非平滑过度曲面，而是一个相对扭曲的曲面，如图3所示。该曲面在刚进入弯道时，凹凸两岸的水面高差相似，在弯道在33m的位置，水面高差达到最大(凹岸最高，凸岸最低)，之后高差逐渐减少，回归到初始状态，水流流出弯道，如图4所示。

对于弯道中轴线而言，介于扭曲面的中间，因此其变化相对最小。通过采用传统计算方法得到计算值与FLUENT模型模拟值进行比较。3种流量条件下，计算值均小于模拟值，但相对误差较小，基本在5%以内。原因是计算中未能全面考虑河道中糙率分布不同、比降变化，水流本身的粘滞性等因素，而是简单概化。而对于FLUENT模型，模拟则更加接近水流实际情况。

2.2 横向水面线分析

针对弯道水流的特点，截取4个不同转弯角度(10°、30°、45°和弯道出口)时的横断面进行水位分析，探究其在横向的水位变化特征，如图5所示。

从弯道不同角度横断面水位的变化可知，转弯角度为15°、30°、45° 三处位置，凹岸水位明显高于凸岸水位，即在河流的横断面方向存在一定的横向水力坡降。这种横向水力坡降在30°时最大(约为3%)，15°和45°稍小，且2种情况坡降基本上相似。在弯道出口处，横向水力坡降基本为0，表明此时两岸的水位基本回归到原来状态。在同一角度下，流量越大，则横向水力坡降越明显。从模拟结果看，在流量为20m3/s情况下，弯道横向水位波动较为明显，且随着流量的增大，水位波动变得较小。说明在小流量经过弯道时，离心力占据主导地位，水流水气掺混现象比较剧烈，因此水面波动较大。而当流量增大时，惯性力占据主导，水流保持原来的状态大于离心力的影响，因此水面反而变得平顺。

2.3 横断面环流分析

三维模拟的优势在于除了模拟河流纵向(沿水流方向)和横向(垂直于水流方向)之外，还可以模拟横断面水流的环流特性(水深方向)。因此，通过分析横断面环流特点，进一步研究不同工况下的横断面环流。

图4 弯道中轴线对应水位对比

图5 不同工况下横向水面线图

通过模拟15°、30°、45° 三种角度在20、30、40m3/s三种流量工况下水流，可得到9种模拟工况的横断面水流环流，如图6所示。通过分析可知，不同流量下均表现为在30°转弯处对应的弯道环流最为明显，且河道底部环流较表层剧烈。环流方向为，凸岸水流由下向上，凹岸水流由上向下。因此可知，如水流中含有泥沙，则容易表现出凹岸冲刷、凸岸淤积的情况。因此在进行农田水渠建设工程中，在转弯处应适当加固两岸渠道边壁处理，避免过度冲刷和淤积，影响渠道输水效率。

3 结语

研究以FLUENT模型为基础对灌区水渠弯道三维水流运动进行模拟，结论如下。

(1)水流在弯道处，表层自由水面是一个倾向凸岸的扭曲面；在转弯时，水面会出现横向水力坡降，且流量越大，横向坡降越大；在横断面上，各种工况都在30°转弯处出现最为强烈的横向环流。若水中含有一定的泥沙，则容易形成凸岸的淤积和凹岸的冲刷，对灌区工程造成一定的影响。

(2)通过研究，可以为农业水利工程，尤其是水渠工程弯道段施工建设提供技术指导。建议可在渠道转弯处加强对凹岸的固化处理。由于模拟中未考虑含沙情况，因此在下一步深入研究中，可以考虑水沙对水渠弯道的综合影响。