引言

水工隧洞是水利水电工程中非常重要的组成部分，其具有结构复杂、体型多变、断面尺寸较大等特点，而且在实际运行中会产生非常复杂的流动现象，例如洞内水流流速大、压力大等。这就要求对隧洞的流动特性进行深入研究，以便采取有效的措施来改善隧洞流动特性。隧洞内流动具有速度分布不均、压力变化较大等特点，而且水流中还存在旋流、涡流等复杂现象，其对隧洞内水流流动特性会产生非常重要的影响。目前，针对水工隧洞内的流动特性还没有统一的结论，需要针对不同类型的水工隧洞进行细致地研究，以便提出切实可行的改进措施。

一、水利水电工程隧洞的流动特性

1.1 隧洞的定义和分类

在水利水电工程中，隧洞是一种利用隧洞来完成引水、泄水等功能的一种工程设施。在水利水电工程中，隧洞是一种常见的水工建筑物，它是通过利用天然的或者是人工开挖出来的，能够为水工建筑物提供部分或者全部的水源。在水利水电工程中，隧洞有两种主要分类方式：一种是按照隧洞的结构形式进行划分，有圆形隧洞和方形隧洞两种；另一种则是按照隧洞的布置情况进行划分，有直线形和折线形两种。按照不同的分类方式进行划分，隧洞通常分为三个类型：一是竖井型隧洞，二是水平型隧洞，三是斜井型隧洞。而根据隧洞的布置情况进行划分，有洞径较大和较小两种情况。

1.2 隧洞的流动特性

在水利水电工程中，隧洞的结构形式多样，其主要功能就是引水、泄水，所以其内部的水流流动特性也会有不同。例如在水平式隧洞中，其内部水流流速高、压力大；而在竖井式隧洞中，其内部水流流速低、压力小。此外，在水利水电工程中，隧洞内部流动还会受到水流形状的影响，例如弯道会引起水流的旋转、涡流等复杂现象。因此，要想全面了解隧洞的流动特性，就需要充分掌握水工隧洞的具体流动特点。针对不同类型的水工隧洞，其内部流动具有不同的特点：直线式水工隧洞内流速较低、压力较大；而弯道式水工隧洞内流速高、压力小。

1.2.1 水流速度分布

在水工隧洞中，其水流速度分布具有以下几个特点：一是在隧洞内部，其水流速度会受到一定的限制，通常情况下，在隧洞内的最大流速不会超过1.5m/s；二是在隧洞内部，其水流速度的分布还会受到相对运动的影响，通常情况下，其相对运动速度越大，水流速度也会越大。例如当隧洞的洞径较小时，由于隧洞内的相对运动速度较低，所以其流量也会比较小；而当隧洞的洞径较大时，由于相对运动速度比较高，所以其流量也会比较大；三是在水工隧洞中，由于水流流速分布比较均匀，所以其流速分布一般都是对称的。另外，由于水流速度分布具有对称性，所以水工隧洞内也存在旋涡。

1.2.2 水压分布

在水工隧洞中，其水压分布具有以下几个特点：一是在水工隧洞内，其水压分布具有对称性，其水流速度分布与水压分布的关系不大；二是在水工隧洞内部，其水压分布与水流速度的变化有关，通常情况下，在水工隧洞内部的压力值为一个定值；三是在水工隧洞内，其水流速度和水压之间存在一定的关系，通常情况下，当水流速度较高时，其水压就会增大；四是在水工隧洞中，其水压会受到隧洞内的水流形状影响。例如在水工隧洞中，当水工隧洞的洞径较大时，其水流形状就会向右弯曲；而当水工隧洞的洞径较小时，其水流形状则会向左弯曲。

1.2.3 水位变化

在水工隧洞中，其水位变化具有以下几个特点：一是在水工隧洞内，其水位变化与水流速度分布、水流形状存在一定的关系。当水工隧洞内的水流速度较低时，其水位也会随着水流速度的降低而降低；二是在水工隧洞中，其水位变化与流量之间存在一定的关系。当水工隧洞内的水流形状比较规则时，其水位变化也会比较平缓；而当水工隧洞内的水流形状比较不规则时，其水位变化就会受到一定的影响；四是在水工隧洞内，其水位变化还与水流流速有一定的关系。

二、转弯段对隧洞流动特性的影响

2.1 转弯段的流动特性

转弯段的水流在垂直方向上和水平方向上的流速是不一样的，因此转弯段也会存在水流的横向分量。由于隧洞转弯段的上游段是水头损失较大的部分，在水头损失中，我们可以将其分为两个部分，一部分是水头损失，另一部分是回流区面积损失。因此在转弯段，我们要将这两个部分分别计算。

由于弯道边界的影响，转弯段两侧水流存在明显的流态差别，但从上往下看，弯道内的水流流态仍然是连续流。在弯道下游存在回流区域，但是回流区范围相对较小，这一区域内的流速较高，同时也会有横向分量。由于不同截面的流速在空间上具有很大差异性，因此其横向分量也不同。

2.2 转弯段对隧洞流动特性的影响机理

转弯段的水流在弯道内的流动会发生旋转现象，当弯道边界附近的水流流速大于周围水流的流速时，会产生漩涡。当弯道边界附近的流速小于周围水流的流速时，会形成涡带。在弯曲的空间中，由于流场复杂多变，因此在下游位置会产生一定的压力。这种流动现象会引起水头损失和能量损失。在弯道下游区域，由于水流流速较低，因此会出现回流现象，此时就会增加水力损失和能量损失。

三、实验方法和数据分析

3.1 实验设计

实验前先进行测量仪器的调试，保证其准确性，实验采用的是美国进口的粒子图像测速系统。粒子图像测速系统的精度很高，能够准确地测量出各种粒子运动的速度，能够进行视频拍摄。粒子图像测速系统可以在两种不同的运动状态下进行拍摄，一种是静止状态，一种是运动状态。在实验过程中采用的是高速摄像机。通过高速摄像机可以观察到隧洞中的水流流动情况，利用激光多普勒测速仪测量隧洞出口的流速，利用粒子图像测速仪测量隧洞进口处的流速。通过对实验结果进行分析和整理，可以得出隧洞内水流转弯段对其速度和压强有明显影响。

3.2 实验装置和参数

实验设备：粒子图像测速系统，的优点是能够对粒子运动速度进行实时测量，测量精度高，而且速度测量范围广。粒子图像测速系统采用的是高速摄像机，可以捕捉到很多张图片。通过高速摄像机可以观察到隧洞中的水流流动情况，由于隧洞的断面尺寸较大，而且断面形状变化较快，因此不能采用标准的水工模型进行实验研究。为了能够反映隧洞内的流动情况，需要对隧洞的断面形状进行相应的改变。在实验过程中需要考虑到隧洞断面形状是否会发生变化，因此需要对隧洞断面进行改造。

四、结语

水工隧洞的水流在转弯段后流速明显增加，并且压强也有所增加。随着距离的不断增加，弯道后的水流速度和压强均在增加。转弯后，隧洞内的水流速度分布和水压分布具有很大的差异性，这与水流在弯道中的旋转有关。转弯段后，水工隧洞内存在明显的旋涡，而旋涡在弯道后消失。转弯段后，水头损失和能量损失也有明显变化，这些变化均与转弯段有关。

参考文献

[1]周永坤。水工隧洞水流特性的数值模拟[J]。黄河水利，2016 (8).

[2]杨金平。不同水深下的明渠水流流态分析[J]。长江水利科学研究院学报，2017 (3).