断面宽高比对弯道水流水力特性影响分析

2016-09-05张立群

黑龙江水利科技 2016年5期

关键词：水力水流流速

张立群

(朝阳县凌河保护区管理局，辽宁朝阳 122004)

断面宽高比对弯道水流水力特性影响分析

张立群

(朝阳县凌河保护区管理局，辽宁朝阳 122004)

采用声学多普勒流速仪及CCD摄像机水流运动捕捉技术对不同断面宽高比的弯道水流水力特性进行了试验研究，得到不同工况下的弯道水流流量与水流的分布情况，总结了宽高比对弯道水流水力特性的影响规律，证明断面宽高比基本不影响弯道水流的基本水力分布形态，但对其量化程度影响明显，而各个位置处按受影响程度大小可排序为：弯道中部，弯道中后部，弯道入口处，弯道尾部。

宽高比；弯道水流；水力特性；试验；影响分析

1　概　述

自然界的河流大多为弯曲河流，其河流水力特性的研究有许多方面的应用，如引水防沙、岸滩保护、取水口位置的设计安排等。目前国内外对弯道水流的研究已经很深入，例如郭维东等人研究了丁坝对弯道水流紊动强度的影响，闫晓惠等人分析了取水口位置对弯道水流流速分布的影响等。这些研究对实际工程设计、尤其是工程优化设计做出了重要的贡献，但在许多方面还存在提高的空间，例如很少有人详细分析过断面宽高比对弯道水流水力特性的影响。

因此，本文采用弯曲水槽为试验模型，通过改变水深的方式来改变水体断面宽高比(主要指入水口处宽高比、即河道平均宽高比)，并采用声学多普勒流速仪及CCD摄像机水流运动捕捉技术对不同工况下的水流进行观测，得到了不同宽高比工况下的水力特性，从而详细分析出断面宽高比对弯道水力特性的影响,为更为精细地、科学地解决弯道水流相关工程问题提供了理论参考。

2　方　法

试验主要在有机玻璃水槽中进行。试验水槽主要由3部分组成：入口直段、弯道段、出口直段。其中心线总长18 m，其中入口直段场12 m，出口直段场2.2 m，曲率半径为135°，曲率半径与底宽比为1.5。水槽底部铺上细沙以模拟河道中的泥沙，细沙的平均直径为0.7 mm。试验皆在清水冲刷条件下进行，即入口河床摩擦速度小于临界河床摩擦速度。共进行四组不同工况的实验，它们底宽保持不变，通过改变水深来改变断面宽高比[1]。表1为具体的试验工况及参数。

表1　试验工况及参数

采用Nortek声学多普勒流速仪对四组试验进行测量。该仪器对于1 mm/s流速的误差范围为0.5%。每个流速仪测量四个流速分量，分别是x方向速度分量，y方向速度分量，z方向速度分量，以及第二个z方向速度分量以计算误差。所有流速的测量都以水槽墙壁为参照物，其测量频率为200Hz。仪器探针的安置经过自信的检验与调整，其误差大约为2°，在计算机后期处理后该误差得到修正。在水平方向上，每个横断面进行五组测量，其中心点相隔20 cm。在竖直方向上，测量点位置主要由水深而定，主要测量点有河床以上5,10,20,40,以及70 mm。

此外，水流中加入水流示踪颗粒，用CCD摄像机对实验过程进行记录，在计算机后期处理中将所录图像用测量数据进行修正，从而可以拓展观测点而获得整个水流面的水力参数[2]。

3　结　果

3.1流量

为更好地分析弯道水流中的水流分布情况，绘制标准化的顺水流方向单位流量情况于图1中。图像几何布置与试验布置图完全相同，其数据为工况及时间平均数据、即将所有数据按时间进行平均计算而得，其中1代表单宽流量最大，0代表其流量最小。

图1　弯道标准化平均单宽流量分布图

由图可见，从弯道入口至弯道出口，高流量区逐渐从弯道内侧移动到弯道外侧。在弯道后半程的内侧，其流量基本为零，而外侧流量最大。不同宽高比对该基本规律基本不产生影响。但宽高比可以改变其量化程度。

1)0°位置：在0°位置(即弯道入口处)，宽高比对流量分布的影响非常小，各工况高流量区与平均高流量区的位置偏差低于5%。当宽高比为5时，高流量区所在位置略向外围偏移，且其范围略有增加；当宽高比为6.65时，高流量区所在位置略向外围偏移但程度只有大约2%，其范围的扩大基本可以忽略不计；当宽高比为9.1时，高流量区所在位置相对平均情况略向内围偏移，其范围的略有缩小；当宽高比为12.5时，高流量区所在位置向内围偏移接近5%，其高流量去范围有所缩小但比例只有3%。

2)45°位置：在45°位置(即弯道中断处)，宽高比对流量分布的影响非常大，各工况高流量区与平均高流量区的位置偏差可达到23%。当宽高比为5时，高流量区所在位置向外围偏移约20%，不同于平均情况，该条件下高流量区已经接触到外侧墙壁，其高流量区范围也同样有所增加；当宽高比为6.65时，高流量区所在位置依旧向外侧偏移约9%，其范围的扩大基本相对于前一种工况略有减小；当宽高比为9.1时，高流量区所在位置中点相对平均情况略向内侧偏移7%左右，其范围略有缩小，大约为4%；当宽高比为12.5时，高流量区所在位置向内侧大程度偏移且范围大幅度缩小，相对于平均情况偏移程度可达到23%、缩小程度可达7%，在这种情况下，高流量区中线所在位置只略偏离河道轴线、而无特别明显的偏向外侧的特征。

3)90°位置：在90°位置(即弯道中后段)，宽高比对流量分布的影响相对较小，各工况高流量区与平均高流量区的位置偏差最高可达11%。当宽高比为5时，高流量区所在位置向外围偏移约8%，不同于平均情况，该条件下高流量明显地接近外侧墙壁，其高流量区范围也有所增加；当宽高比为6.65时，高流量区所在位置偏移趋势依然为偏向外侧，其中点相对平均值移动约2.5%，其范围略有扩大但基本可以忽略不计；当宽高比为9.1时，高流量区所在位置相对平均情况向内偏移约4.5%，其范围有所缩小、相对于平均值的比例大约为2%；当宽高比为12.5时，高流量区所在位置向内侧偏移程度可达5.8%，范围明显缩小。

4)135°位置：在135°位置(即弯道出口段)，宽高比对流量分布的影响几乎可以忽略不计，各工况高流量区与平均高流量区的位置偏差低于1%，其范围变化甚至<0.5%。

3.2流速

图2为弯道标准化平均流速分布图，由所有顺水流方向流速数据按时间进行平均计算而得，代表所用工况下的平均水流分布情况，其中1代表最大流速，0代表最小流速。

图2　弯道标准化平均流速分布图

由图2可见，流速在入口处在内侧增大，而进入弯道后高速度水流主要偏向于外侧，在中后部分水流撞击墙壁，与尾部逐渐在转向内侧。其弯道流速分布的特点主要可总结为：在两端流速低而中间高，在入口处高流速区向内部偏移，而之后向外侧偏移，在出口后又逐步向内侧扩散。不同宽高比对该弯道水流的分布形态没有影响，但影响其具体的分布程度。这些结论类似于流量分布情况，但可以看出其分布相对更加均匀，横断面各点之间的流速情况差别不大。

分别取0°,45°,90°以及135°横截面进行分析，发现在不同工况下流速分布有以下4点规律：

1)在0°截面，宽高比越大，则高流速水流越偏向右侧。

2)在45°截面，宽高比越大，则高流速水流也越偏向右侧。

3)在90°截面，宽高比越大，则高流速水流越偏向左侧。

4)在135°截面，宽高比越大，则高流速水流明显偏向左侧。

总体来看，当宽高比增大时，弯道水流的特点表现得越早。例如，当宽高比为12.5时，45°截面的规律基本等效于宽高比为5工况下的60°截面分布规律。此外，在各个截面，当宽高比越大时，流速分布也越均匀。

4　分　析

高流量区从入口到出口由内侧向外侧移动，而这种特性基本不会随着工况的改变而发生变化，因此可以认为该水力特性为弯道水流的基本特性、不受断面宽高比的影响，但其量化程度却随断面高宽比明显地变化：在弯道入口处流量分布受宽高比的影响非常小，而在弯道中部受宽高比影响非常大，在中后段受宽高比影响相对较小，而在末端受宽高比的影响基本可以忽略不计；当宽高比越大时，高流量区越偏向内侧，高流量区的范围越小。

弯道流速分布的特点主要表现在两端流速低而中间高，在入口处高流速区向内部偏移，而之后向外侧偏移，在出口后又逐步向内侧扩散。这种特性也基本不会随着工况的改变而发生变化，因此从定性角度分析它不受断面宽高比的影响，但从定量角度分析该影响则较明显，而且其影响的程度分布与流量影响情况完全相同，即从入口处到中部影响程度增大，之后影响程度不断减小，直至忽略不计；当宽高比越大时，弯道流的流速特点表现得越早，流速分布也越均匀。