林云青

（深圳市城市交通規(guī)劃設計研究中心有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

在山區(qū)修建公路，坡面排水是路塹或路堤邊坡上方自然坡面排水中的重要組成部分，由于自然坡度通常較陡，雨水經坡面流入坡底截水溝的流速較高，如果消能設施設置不當，水流有可能躍入路面或對坡角及截水溝產生一定損壞。因此有必要設置消能設施來降低流速，急流槽消能池是較常用的公路坡面排水消能設施，但消能池工程應用方面較為缺乏尺寸設計依據。

計算流體動力學（CFD）軟件的出現和廣泛應用，為公路排水設計的研究提供了新的思路和更先進的研究手段。文章通過CFD軟件對急流槽消能池三維模型進行明渠流模擬，對其消能效果進行分析，總結其消能規(guī)律，研究結果為急流槽消能池的設計提供參考。

1 消能率

消能率是用來衡量消能設施的消能效果的參數，其大小代表的是流出消能設施的水體的總能量與進入消能設施的流體的總能量的比值的大小。某消能設施的消能率η的值越大，代表該消能設施的消能效果越明顯。消能率η的計算公式如下：

式中：Z1——上游相對于下游的高度，m；

h1、h2——上、下游水深，m；

v1、v2——上游進口和下游出口的流速，m／s；

α1和α2——上下游的流速系數，均取1。

2 急流槽消能設施及消能率影響因素分析

2.1 急流槽消能設施

常用的急流槽消能設施為消能池，又稱斜插式消能池，通常設置在急流槽末端，在渠底設置抬高的橫檻。水流順急流槽流下時，在一定的池長和橫檻高度條件下水位升高，形成水躍以達到消能的目的。

從相關的急流槽消能池的消能率所作的定量分析可知，消能率η是池長l、進口流速ν1、橫檻高度及入水角is的函數，可表示成如下形式：

通過同濟大學李志勇博士的相關論文數據分析，采用不同的池長l及入水角is時，消能率的變化規(guī)律受流速影響不大，可作為單獨變量提出。因此消能率η可寫成如下形式：

式中：β1——與池長有關的修正系數；

β2——與入水角有關的修正系數；

η′——與流速及橫檻高度有關的消能率。

2.2 消能率影響因素分析

影響急流槽消能池消能率的主要因素有進口流速v、急流槽池長l、橫檻高度c等。

2.2.1 進口流速（v）

進口流速是影響消能槽消能率的一個重要因素，其大小與某地區(qū)的降水強度、進水口的水體高度有關系，在討論消能率與設計徑流量的關系時，將進口的水體深度設為定值，以進口流速作為自變量，分別討論當水體的流速為3m／s、4m／s、5m／s時的消能池消能率情況。

2.2.2 急流槽池長（l）

急流槽池長l為圖中所示消能池的底邊長度，消能池池長是影響消能率的一個重要因素（如圖1所示）。消能池池長越大，單位寬度池中坡頂流入的水體在槽中所停留的水量就越大，因此直觀推理應可知消能率將越大。本論文所設計的模型的急流槽池長分別為2m、3m，并對仿真結果進行分析。

圖1 急流槽池長與橫檻高度示意圖

2.2.3 橫檻高度（c）

橫檻高度為圖1中所示消能池的橫檻高度c。消能池池高是影響消能率的另一個重要因素，因此橫檻高度應保證水體進入急流槽能引起水躍發(fā)生，以達到消能的目的。

消能池橫檻高度越大，流入池中水體的水躍作用就越明顯，因此可知消能效果就越明顯，但橫檻高度與路面的高程有關，過高的橫檻高度在公路工程中也不適用。本論文所設計的模型的急流槽橫檻高度分別為0.3m、0.4m，并將仿真結果進行分析。

3 Gambit三維模型

用Gambit建立了坡度is分別為1∶1、1∶1.5的兩個三維模型。

圖2為急流槽消能設施的二維計算模型示意圖，圖3為其對應的三維計算模型示意圖。進口邊界由上部的氣體進口（inletA）和的水進口（inletW）組成。水進口采用速度進口（velocity－inlet）作用邊界條件；所有氣體進口都定義為壓力進口（pressure－inlet），此邊界條件適用于邊界壓力大小已經確定，但邊界上通量未知的情況。設氣體邊界處的壓力都為大氣壓；出口定義為壓力出口（pressure－outlet），由于出口的水流為自由出流，與大氣相通，認為出口壓力為大氣壓的值。

圖2 急流槽消能池二維計算模型示意圖

圖3 急流槽消能池三維計算模型示意圖

整個模型就只有一個出口，只能作為同一出口邊界，采用壓力邊界較為合適，一方面氣體可以任意流動，另一方面水可以自由出流。

4 計算結果分析

4.1 入水角1∶1.5模型

分析坡度為is＝1∶1.5（即入水角為1∶1.5）的急流槽消能模型模擬結果。

水體由上部的進水口以高度0.2m，流體分別以流速為3m／s、4m／s、5m／s的速度進入急流槽消能模型，根椐公式（1），可計算得流體的初始能量。

在對急流槽進行仿真模擬的時候，急流槽的池長分別設計為2m、3m，對橫檻高度分別設計為0.3m、0.4m。

將仿真計算得到的出口水流速與消能率列于表1。

表1 消能池消能率計算結果表（入水角為1∶1.5）

通過Fluent迭代近3000次左右以后，模型出口（包括氣體和液體）的平均流速已經達到定值，計算結果已經收斂。再對整個模型內的水流速度進行等值著色處理，可以看到水躍發(fā)生的位置以及水躍高度和進水口水流的流速有較大的關系（如圖4所示），并且水體進入急流槽的速度越大，則產生水躍的地點距進水口越遠，即產生水躍越晚，同時水躍的高度越低，即橫檻對水流的消能作用越明顯。

圖4 不同流速下自由水面示意圖

4.2 入水角1∶1模型

首先分析坡度為is＝1∶1的階梯消能模型。

水體由上部的進水口以高度0.2m，流體分別以流速為3m／s、4m／s、5m／s的速度進入急流槽消能模型，根椐公式（1），可計算得流體的初始能量。

在對急流槽進行仿真模擬的時候，急流槽的池長分別設計為2m、3m，對橫檻高度分別設計為0.3m、0.4m。

將仿真計算得到的出口水流速與消能率列于表2。

表2 消能池消能率計算結果表（入水角為1∶1）

4.3 結果分析

對急流槽消能池的消能率作定量分析可知，消能率η是池長l、進口流速ν1、橫檻高度c及入水角is的函數，可表示成式（4）的形式。下面對其中的進水口的水體速度v和急流槽的池長l進行定量分析。

4.3.1 進口速度v

在模型進水口坡度、急流槽橫檻高度、池長分別設定為定值1∶1、0.4m、2m的情況下分析消能池消能率與進口速度v的關系，如表3所示。

表3 急流槽消能率與進水口速度的關系表

從圖5可以看出，當進水口速度在一定范圍內變化時，急流槽的消能率隨著進口的水體速度變大而變大。

圖5 急流槽消能率與進水口速度關系圖

4.3.2 池長l

在模型進水口坡度、急流槽橫檻高度、進水口速度分別設定為定值：1∶1、0.4m、3m／s的情況下分析消能池消能率與池長l的關系見表4。

表4 急流槽消能率與急流槽池長的關系表

從圖6可以看出，當急流槽池長在一定范圍內變化時，急流槽的消能率隨著急流槽池長的變大而變大。

圖6 急流槽消能率與急流槽池長關系圖

5 結論

5.1 對急流槽消能池的設計，首先應保證在跌水池內水流形成水躍，根據本文計算結果分析，即應滿足消能率隨進口流速的增加而增加，如出現降低的現象，則說明水躍沒有形成或水躍不足；若進口流速過大，導致消能后出口流速仍較大時，可采取在池內設置橫檻的方法來增加消能效果。

5.2 本文對急流槽的消能池進行了三維建模計算分析，完善了二維模型中忽略的邊壁粗糙對水流橫向速度分布的影響，但是消能槽的寬度對消能率的影響還有待于作者及相關的研究者進一步研究。

5.3 由于三維建模及計算的復雜性，本文對提及的自變量未進行足夠多的仿真計算，樣本容量較小，不足以對相應的自變量進行數學建模，對急流槽消能池的設計參考幫助有限，還有待于作者及相關的研究者進一步研究。

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