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基于光滑粒子(SPH)方法的太榆退水渠水力特性数值模拟研究

2025-03-04 62 上传者：管理员

摘要：为解决退水渠道坡度陡、水流量大导致退水出口地面遭水流冲刷的问题，文章提出光滑粒子法模拟分析退水渠水力特性。通过对SPH的了解，构建太榆退水渠模型，结合渠道运行状况，设计多种模型，研究水力特性。结果表明：随着退水流量增加，分水池段最大水深1.69m,对应设计流量Q=5.98m3/s,边墙设计高度合理；陡坡段末35m处的水流流速最大，消能率集中在50.05%～59.4%,可知基于SPH方法的太榆退水渠消能效果良好，对退水渠水力特性研究有指导意义。

关键词：
光滑粒子法
数据模拟
流体动力学
退水渠
防洪安全
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太榆退水渠兼具排洪､保障周边防洪安全的功能,属于我国重要的水利工程之一｡随着太榆退水渠运行时间的延长,需要根据水工设施现状和区域水文条件采取优化措施,保障太榆退水渠稳定运行｡

传统力学研究方法受空间､时间和成本限制,实验和现场观测结果不准确,对复杂流体动力学问题研究的适用性差,亟需应用更具可行性的方法研究退水渠水力特性｡光滑粒子法(SPH)属于无网格的拉格朗日方法,适用于复杂的自由表面及多相流动的模拟研究,适应性和灵活性优于传统网格方法,较其他数值模拟方法的准确度高､效率高,在水动力学研究中取得广泛应用,例如研究退水渠的水流流态､流速分布,评估退水渠运行效果,因此采用光滑粒子法的退水渠研究成果具有参考意义,可反映退水渠排水性能､水力冲击风险,根据研究结果采取优化措施,排除隐患,提升退水渠运行性能｡下文以太榆退水渠为例,采用SHP法研究渠道水力特性,了解退水渠运行状态,基于研究结果采取管控措施,保证退水渠功能正常实现｡

1、光滑粒子法应用原理

SPH法无需划分网格,避免传统流体力学研究方法网格畸变问题,以连续体作为实验对象,转化出的SPH方程可用于数值模拟,用于模拟复杂的自由表面和多相流动｡SPH法主要应用如下2种计算方式｡

1.1核近似方法

式中,W(x-x′,h)—光核函数;W—核函数的加权函数;x—坐标值;h—平滑距离,是粒子间相互作用的参数,粒子支持域的大小与h有关｡

1.2粒子近似方法

式中,mi､ρi—粒子i的质量､密度;Wij—粒子j对粒子i产生影响的核函数｡

式(2)是用离散粒子叠加求解的方式计算积分｡

退水渠力学特性分析是一个复杂性过程,涉及因素多,利用传统网格法进行分析耗费时间长,建立高精度网格难度大,资源消耗量大,不能反映退水渠在不同流量时的水流变化,网格划分存在畸变现象,缺乏可靠性｡光滑粒子法规避传统网格法的弊端,适用于研究退水渠流速､水力流量及消能率,可行性高,可以作为复杂退水渠力学特性问题的研究方法｡

2、SHP光滑粒子法实例验证

2.1案例概况

太榆退水渠总控制面积553km2,包含太原市245km2和榆次区308km2,建于20世纪70年代,担负40万亩农田和若干河流沟道的排退水任务,对太原､晋中两市农业发展和生态防护起重要作用｡由于退水渠坡度较陡,退水流量大,退水出口地面遭到水流强烈冲刷,针对冲刷导致水工设施受损问题,于退水渠末端设置消力池消能,减弱水流冲刷力度｡根据退水渠基础设施建设现状模拟水力特性,参考研究结果,采取运行管理措施,确保退水渠安全运行｡本次研究考虑4种流量的工况,采用SPH5.0开源程序代码模拟分析退水渠水流在不同工况的水面线变化､流速变化及消能效果,了解退水渠水力特性,指导退水渠优化管理｡

2.2模型构建

构建的1∶1退水渠数值几何模型,如图1所示｡

图1退水渠几何模型示意图

图1中渠道中心与渠道入口的垂直距离为5.96m,节制闸与渠道入口的距离为10.7m,消力池底坎高度1m,圆形分水池半径3.9m,坡度1∶6｡

数值模拟中,粒子间距dx为0.1m,入流面积为2m(宽)×2.1m(高),使用出入流开放边界稳定流量,时间步长1.5×10-4s,模拟总时长80s｡数值模拟时,节制闸完全处于闭合状态｡按不同退水流量确定4种工况,包含5.7､5.98､7.30､8.41m3/s,依次为最小流量､设计流量､加大流量､限制流量,以流量为自变量,研究退水渠在不同流量时的水力特性｡

2.3SPH法在陡坡水力特性模拟的可行性检验

为检验本文方法在陡坡水力特性数值模拟中的可行性,选取文献[2]的方法研究陡坡水跃特性,经过对比分析,认为试验值与Fluent流体软件模拟值相同,如图2所示｡

图2陡坡模型布置示意图

图2中,x指的是消力池起点的绝对距离｡几何尺寸,流量Q取25.19､42.18L/s,临界水深hk分别为0.104､0.075m,坡度30°,陡坡长度0.6m｡模拟采用出入流开放边界条件,时间步长1.5×10-4s,模拟时长为50s,粒子间距dx取0.01m｡

流量Q为25.19､42.18L/s的试验值与SPH法模拟值的水面线,见表1—2｡

由表1—2知水面线起伏大,水流属于随机且复杂的湍流状态,对应部位为水流从急变流向缓流变化的转折处,模拟值与试验值存在误差,相比之下其它段的水面线误差均更小｡Q=25.19､42.18L/s2种退水流量的模拟值与试验值的平均误差分别为2.48%､-8.7%,数值模拟较差部位为水跃旋滚剧烈区域,此范围内的水面存在较大幅度波动｡总体上,模拟值与试验值的变化趋势一致｡根据对比分析可知,基于SPH法的陡坡水力特性模拟结果准确度较高,模拟结果具有参考价值｡

表1Q=25.19L/S的水面线对比

表2Q=42.18L/S的水面线对比

2.4计算结果及分析

4种退水流量工况的沿程水面线变化图,如图3所示,通过曲线图直观反映不同退水流量时的水面线变化规律｡

图3沿程水面线变化图

Q=5.98m3/s时,分水池段的水面相对平稳,最大水深hmax=1.69m,平均水深=1.1m;陡坡段,水深下降,由于消力池具有消能特点,水面线x=35m处陡增后趋于平稳;陡坡段和消力池段存在复杂流态的湍流,高速入流和消力池内蓄水引起的顶托力共同作用,产生影响水面稳定性的水跃现象,水面发生剧烈波动｡Q=7.30m2/s,hmax=1.7m,h=1.34m,分水池段的超高按4､5级渠道岸顶超高验算公式Fb=0.25×hb+0.2计算确定(hb为加大流量Q=7.30m2/s的水深),得Fb=0.63m｡根据以上计算数据,超高和最大水深总和为2.32m,边墙高度3.2m>2.32m,说明退水渠边墙高度合适｡考虑Q为5.98m3/s(设计流量)和7.30m3/s(加大流量)2种工况,流速分布三维云图如图4所示｡

根据图4可知,2种流量状态下,退水渠无明显的飞溅､水流冲击现象,渠道的水流流态稳定｡陡坡段末是退水渠流速最大部位,由于水流湍急,建设于该处的水工设施遭到的水流冲刷作用强烈,经过持续性冲刷后可能导致水工设施受损,影响设施完整性和稳定性,需要确定水流冲刷严重部位,采取加固措施,抵御水流冲刷｡

4种流量的沿退水渠的流速变化,如图5所示｡

图4流速分布三维云图

图5流速分布曲线图

根据图5可知,沿陡坡方向,流体呈增加变化趋势｡受消力池旋滚区域影响,陡坡段末端水流湍急,水流间存在旋涡结构,数量丰富,大小不一,受水流中旋涡的剪切作用,水流流动状态由快速显著放缓,沿消力池段的水流趋于平缓｡陡坡段末x=35m位置的水流流速达到流动全过程的最大值,为6.53m/s｡

为评价消能设施的消能效果,绘制不同流量的消能率变化图,如图6所示｡

图6消能率分布曲线图

消能率η的计算方式,如式(4)所示｡

式中,Ei—断面单位重量液体的总能量;i=1､2—跃前､跃后断面;zib—渠道底面面标高;υi—断面平均流速,m3/s;hi—断面平均水深,m｡

消力池段,随着流量增加,消能率下降,消能效果变差｡X=35~45m范围属于湍流旋滚区域,流经此区域的水流流态复杂;退水流量Q为8.4､5.99m3/s时,消能率变化规律为先下降､后上升｡从消能率总体变化规律来看,沿程持续提高,按式(4)计算的η约55%,表明效能效果良好｡

3、结语

综上所述,本文采用光滑粒子法模拟分析太榆退水渠水力特性,结论如下｡