基于FLOW3D模型浅析河道断面形状对河道水力特性的影响

方案1矩形断面为例，试验初始化如图2所示。

3  数值模型论证

3.1 横断面流速分布

根据孙丽针对较小模型宽深比的改进仿真模拟水面流场组合[2]，该文使用k-ε模型模拟横断面的紊流。根据孙亚明绘制复式河道断面横向平均流速分布图的方法[3]，选取对称面的一半进行分析，将5种渠道断面的形状与横断面平均流速分布绘制如图3～图7所示。

通过对河道内横断面流速的比对，得到以下三点结论：

（1）在通过断面流量大小相似的前提下，矩形断面的流速最小，梯形断面其次，但梯形断面上流速波动较大，椭圆断面的流速较大且流速波动较大，符合水力学断面流速分布特点;

（2）两个组合形状截面中，复式梯形的流速略大于组合椭圆形，但是相差较小。复式梯形的流速波动较小，流速仅在靠近边壁时出现一次下降;而组合椭圆形的流速波动较大，特别是在曲率较大区域、椭圆与梯形交界区，流速波动混乱，不利于河道平稳;

（3）组合图形较之基础图形，对流速有较好的调节效果。复式梯形极大地削弱了水流在单一梯形折坡处的大波动，推断复式截面有利于河道平稳过流;

（4）椭圆与梯形的组合截面轻微减轻了水流的紊动程度，但对于降低平均流速的作用不明显，归结于曲线断面对河道水力特性的不利影响占主导地位。

3.2 纵断面流速分布

参照胡海松等人对于河道纵断面流速的分析方法[4]，当流体流态平稳后，在5组模拟试验中收集河道纵断面沿水流方向的流速，如图8所示。分析各方案流速曲线得到以下结论。

（1）水流从河道入口流入渠道后，在纵断面上的流速会逐渐增大出现第一个峰值，然后呈现缓慢减小的趋势，随后流速逐渐增大，最后在河道出口处流速会出现第二个峰值;

（2）总体上，复式椭圆、椭圆断面对河道流速的影响较大，复式梯形、梯形其次，矩形对河道流速的影响最小。推测椭圆形状对河道的不利影响较为突出;

（3）在纵断面流速的两个峰值中，下游明显大于上游，且不同断面形状的两个峰值差异不同，表明不同断面形状对上、下游河道是流速影响不同。

4  结论

4.1 FLOW3D模型的优劣

4.1.1 优点

在计算流体力学领域，基于FLOW3D模型，结合RNG湍流模型、VOF模型和k-ε模型，能在短时间内，较方便快捷地模拟计算不同河道断面对河道水力特性的影响。并且基于FLOW3D模型对于湍流模型的使用，使得仿真计算结果具有较好的准确性。

4.1.2 缺点

在仿真计算中运用FLOW3D模型，受制于正六面体结构化正交网格的划分方法，且不设置网格加密区域。对于有折坡面的渠道以及复式渠道断面，水流在折坡处位置存在不同形状、大小的二次流。由于网格形状划分的局限性，部分网格边界不能包含断面折坡位置，对于观测、仿真这些二次流的水力特性有一定影响，可能会影响对局部的流速数据的仿真模拟。

例如，如图9所示，在仿真初期的复式梯形断面的水体运动流场分布剖视图中，在明显的折坡面附近，水流出现不明显的紊动现象。而在相似的水力学实验中，在明显的断面图形变化处，往往出现明显的水流紊动。综上，受限于FLOW3D模型中的正六面体结构化正交网格的剖分方法，在局部图形变化较大的断面，水流运动仿真的准确性有所降低。

4.2 断面形状对河道的影响

（1）由于河道中不同断面形状对整体河段的影响，河道横断面流速、纵断面流速等的水力特性都发生了不同规律的变化。根据水力学试验中的水流运动规律，对比仿真试验中不同断面形状中水流的流线等水流特性，可以判断仿真试验结果总体符合水力学特性;

（2）在单一形状截面中，矩形和梯形的横、纵断面流速形态稳定，椭圆形对河道流态有较多不利影响;在组合形状中，复式梯形河道的流态较稳定，水体紊动现象较其他断面较不明显。总体而言，复式梯形河道的水流流速较缓，流速变化较小，对于河道的冲剪作用较小，可作为最佳河道断面研究;

（3）在河道中，为避免出现短时间内水体流速过大等不利现象，应避免将椭圆等曲线图形作为河道断面图形，曲线断面对河道水力特性的负面影响较突出;

（4）在实际的河道修建时，结合动能经济分析，综合考虑最优经济断面、河道淤沙等实际问题，设计最优断面形状。

4.3 不足与展望

笔者在考虑河道断面形状对河道水力特性影响的问题时，基于光滑边壁的情況提出仿真实验的相关假设，未能考虑河道中泥沙淤积、不光滑壁面摩擦等实际因素对河道水流的影响。在后期的仿真实验中，受时间所限，未能充分使用河流模型来模拟自由水面运动，没有充分发挥FLOW3D模型的特点。鉴于FLOW3D模型中网格划分方法的局限性，可结合FLUENT模型中自定的网格划分方法，对FLOW3D模型仿真结果作出补充试验。

参考文献

[1] 邵学军，王兴奎. 河流动力学概论[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2] 孙丽.复式河道水流特性数值模拟研究[D].河海大学，2007.

[3] 孙亚明.顺直型复式河道断面三种水流数值模拟方法对比研究[J].内蒙古水利，2018（9）：60-62.

[4] 胡海松，罗居刚，邰洪生，等.不同断面形状的河段对整体河道水力特性影响研究[J].水利科学与寒区工程，2018，1（10）：19-22.