1、河南水利与南水北调 2023年第5期智慧水利基于FLOW-3D的明渠壅水断面流速特征研究杨新茂（甘肃省疏勒河流域水资源利用中心双塔灌区管理处，甘肃 瓜州 736100）摘要：随着传感器技术的发展，渠道流量测量技术有了新的突破，目前渠道流速大多是根据点流速进行计算，但在渠道内因阻滞作用的影响，同一断面上的水流速度分布会随着水深的不同而不同。为探讨不同水深边界情况下，明渠剖面流速分布特性。文章截取某梯形渠道100 m渠段，利用FLOW-3D进行建模，模拟了不同的下游壅水情况。通过对不同水深情况下剖面流速分布的研究，采用固定流速系数的方法进行分析，给出了在壅水高度小于20 cm的情况下，可以达到测量
2、精度（误差不超过10%）的水流速度系数。通过模拟计算，拟合出了水流速度系数随水深变化的曲线，对流速系数进行修正后可使测流误差小于1.40%。关键词：数值模拟；水面流速系数；渠道壅水中图分类号：TV133文献标识码：A文章编号：1673-8853（2023）05-0123-03Study on Flow Velocity Characteristics of Backwater Section in Open Channel Based onFLOW-3DYANG Xinmao（Guazhou Shuangta Irrigation District Management Office,Shul
3、e River River Basin Water Resources Utilization Center,Guazhou736100,China）Abstract：With the development of sensor technology,the channel flow measurement technology has a new breakthrough.At present,the channel flow velocity is mostly calculated according to the point flow velocity.However,the dist
4、ribution of water velocity on thesame section varies with the depth of water because of the blocking effect in the channel.In order to study the characteristics ofvelocity distribution in open channel section under different water depth boundary conditions,a 100 m trapezoidal channel section isinter
5、cepted and FLOW-3D model is used to simulate different backwater conditions downstream.Based on the study of velocitydistribution in profile under different water depths,the method of fixed velocity coefficient is used to analyze the velocity distribution.The results are given when the backwater hei
6、ght is less than 20 cm,the flow velocity coefficient with measurement accuracy（error notexceeding 10%）can be achieved.The curve of flow velocity coefficient varying with water depth is fitted through simulation calculation.The error of flow measurement is less than1.4%after the velocity coefficient
7、is modified.Key words：numerical simulation;surface velocity coefficient;backwater of canal1研究区概况研究区域位于甘肃省某大型灌区，灌区覆盖6个行政村，由干渠和12条支渠组成，承担农业灌溉任务，灌区干渠全长94.21 km，设计引水流量32 m3/s，设计灌溉面积16 540 hm2。工程修建于20世纪80年代，后经数次维护和改造，于2018年底改造完成。文章研究选取其中一段支渠，渠道为梯形截面，支渠设计流量为13 m3/s，底宽4 m，高2 m，边坡为1.75 m，坡度i为1/8 000，研究模拟长度为
8、100 m。2研究方法2.1FLOW-3D模型根据牛顿第二定律和质量守恒定律，流体运动的计算必须满足连续性方程和动量守恒方程。文中利用FLOW-3D软件，采用“FAVOR”技术进行模拟。为模拟渠道内的紊动水流结构，使用RNGk-紊流模型封闭Navier-Stokes控制方程，并将包含面积和体积分数的参数添加到该模型中，最后利用tru-VOF法追踪自由水面。此次模型渠段的几何参数和水力特性分别为：i=1/8 000、b=4 m、m=1.75、n=0.015、渠道设计流量Q=13 m3/s。2.2网格划分网格的质量对数值计算的稳定性和精度有很大的影响。为保证计算速度和精度，文中经过对比0.04、0
9、.05、0.10和0.20 m的网格划分运行结果，最终采用0.05 m的网格宽度。采用相连网格块，在对网格网进行加密的同时，尽量减小网格数的成倍增加。2.3模型验证首先模拟下游为壅水高度h=0的恒定均匀流，将模拟结果与HEC-RAS和曼宁方程相比较，得到了如图1所示的沿程水面线对比图。HEC-RAS 和曼宁方程得到的沿程水深为1.76 m，FLOW-3D的模拟结果也为1.76 m左右，但在入口处出现有0.20 m的降落，综合误差小于1 mm，模拟结果有一定的可信性。作者简介：杨新茂（1970），男，工程师，研究方向：水利工程。123河南水利与南水北调 2023年第5期智慧水利3分析与讨论3.1
10、渠道流速分布国内外有关学者对梯形、矩形、复式断面等进行了室内实验和工程实测，结果表明自由水面的流度并非最大，最大流速出现在自由水面之下。有学者认为这可能是二次流导致的。图2（a）至（f）是顺水流方向（y方向）的流速分布图，该剖面与上下游边界的距离为50 m。通过对输水断面的等值线分析，得到了以下结论：渠道中垂线两侧的水流速度分布基本对称。当流量相同，下游水深不同时，最大流速点的位置随水流深度的增加而远离水面，流速也随着水深的增加而减小。在渠道流速等值线图中，除了在水面附近的等值线向中心弯折之外，其余曲线基本与边壁剖面相平行。图3（a）至（f）是垂直水流方向（x方向）上的流速分布图。经分析得到以
11、下结论：边壁处的水流有向中心集中的倾向。在渠段中垂线的两侧，流速的分布基本对称，中垂线处的流速基本为0。与顺水流方向的流速变化相似，在流量相同时，最大流速点的位置随水流深度的增加而远离水面，流速也随着水深的增加而减小。这一现象可归结为二次流，即受边壁及自由水面的作用，在靠近水面的地方有一股流向中心的二次流，并将边壁的低速水流带入中心，从而导致了水面流速的下降。3.2点流速测流的精确性采用雷达技术测流时仅可测得水面流速，为得到断面平均流速还需乘水面流速系数k，一般都是通过率定的方式来得到这个系数。但是在实际运行中，由于壅水的影响，在不改变流量条件时，水面流速系数和断面流速的分布会随壅水高度的改变
12、而改变。渠道底坡比较小的情况下，壅水的影响范围较大，故文中探讨在同一流量情况下，同一断面的水面流速及水面流速系数的变化规律，分析不同壅水情况下采用k0计算时的流量误差。根据计算结果，在此渠道内若不考虑壅水对水面流速系数的影响，而采用固定的k0，则壅水高度越高，所得到的流量误差越大，在壅水高度达到40 cm时误差超过10%，无法满足凉水的精度要求。3.3水面流速系数3.3.1系数变化规律文章选取距离上游边界40、50、60、70 m的断面，研究不同下游边界的恒定非均匀流时，其水面流速系数的变化情况。为了减少测量误差，各断面流速均选取稳定后3个时刻数的平均值。从图4可以看出，在下游水深变化的情况下
13、，渠道在水流方向上的各个剖面的流速系数并非一个固定值。在下游水深变化量h=0、10、20 cm时，沿水流方向上各剖面的流速系数沿程稍有增大；在h=30 cm的情况下，水面流速系数基本保持不变，为1.05；在h=40 cm和50 cm时，水面流速系数沿程减小。在实际的渠道运行中，由于下游水深的变化以及与上游边界距离的差异，水深的变化较大。当水深保持不变或增加10、20 cm时，在距上游边界40、50、60和70 m的剖面流速系数基本保持在1左右；但当水深在增加量在2040 cm时，水面流速系数增加得很快；而当水深继续增加时，水面流速系数几乎保持不变。所以在渠道在实际运行时，h小于20 cm时，用
14、正常水深下的水面流速系数计算是可靠的；当h超过20 cm时，实际流速系数大于正常水深下率定的水面流速系数，测得的流量有一定的偏差。3.3.2水面流速系数修正图2顺水流方向（y方向）流速分布图图1数值模拟与方程计算结果对比图图3垂直水流方向（x方向）流速分布图图4水深变化情况下的水面流速系数图124河南水利与南水北调 2023年第5期智慧水利采用三次多项式拟合距上游边界50 m断面上的水面流速系数与下游边界水深的关系，得出了修正后的水面流速系数k 与下游水深hd的公式：K=-6.350 7hd3+38.972hd2-78.909hd+53.763（1）拟合曲线与数值模拟结果决定系数R2为0.99
15、，根据K 计算的结果与实际的流量偏差不超过1.4%。3.3.3多点流速测定雷达测流所获得的水面数据的数量取决于水面波浪和漂浮物。因此在灌区的实测流量仅能测量出水面上有限点的流速，不能像数值模拟那样获得大量结果。所以文中测量点个数和测量误差的关系作了一些分析。分析在水面上设置3个点（距离水面中心点0 m，2 m），5个点（距离水面中心点0 m，2 m，4 m），7个点（距离水面中心点0 m，1.5 m，3 m，4.5 m）得到的平均流速。根据计算结果，测量点数量越多，则测流误差越小。仅设置3个测流点时，6种工况下的误差在10%19%；5个测流点的误差为5%12%；7个测流点的误差在0%9%，当壅
16、水高度h小于20 cm时，7个测流点的误差小于5%。4结论在相同断面上，不同壅水高度时，渠道的水面流速系数发生了明显的变化。如果忽略渠道壅水的特性，只考虑水面流速系数是固定的，在此基础上求出的流量会有很大的误差。文中给出的算例表明最大误差可以达到16.70%。在h变化范围小于20 cm时，采用点流速与剖面平均流速之间的关系来率定的水面流速系数是可靠的。而h变化范围大于20 cm时，实际水面流速系数将大于率定的，产生一定的流量偏差。考虑壅水后对水面流速系数进行校正，测流误差将显著降低，大约降低至1.40%。在采用雷达技术进行流速测量时，测量精度会因测点的增加而提高。当有7个测点时，其测量误差小于9%，可以满足渠道量水规范的要求。文中仅截取了一段长度为100 m典型渠道，这一结论是否具有尺度效应尚有待于进一步研究，此外还可以探究水面流速系数与糙率、断面尺寸比、底坡等因素之间的关系。参考文献：1 冉聃颉，王文娥，胡笑涛，等.梯形喉口无喉道量水槽水力性能分析 J.水科学进展，2018，29（2）：236-244.2 周舟，曾诚，周婕，等.等宽明渠交汇口流速分布特性数值模拟 J.水利水运工程学报
