欧阳澍，刘成林, 2，程永舟，王文森，王小明， 4

(1. 南昌大学建筑工程学院， 江西南昌 330031； 2. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室， 湖南长沙410114； 3. 长沙理工大学水利工程学院， 湖南长沙 410114； 4. 长江航道规划设计研究院， 湖北武汉 430011)

河道整治工程中，丁坝是常用的水工建筑物。对于丁坝结构周围的水流特性，国内外学者做了大量的工作[1- 8]。传统丁坝具有一定的局限性，影响河段的流态和自然环境，造成大量不必要的损失。随着人们环境保护意识的提高，新型透水潜坝日益成为专家学者研究的重点。潜坝是保护河岸免受冲蚀，维护河相稳定的常见河道整治工程建筑物，透水潜坝结构进行优化设计既能满足航道整治的需求，又对生态环境的影响较小。李若华等[9- 10]发现四面六边透水框架和框架群能有效减小水体紊动动能，进而达到防冲促淤的效果。王普庆[11]通过水槽试验研究了透水率、来流夹角对透水桩坝整治效果的影响。刘国起[12]利用数值模拟结合理论机理分析的方法重点研究了透水率、坝长、挑角、流速等因素对水力插板式透水丁坝周围水流特性的影响。张为等[13]通过模型试验分析不同透水性结构对水流特性及泥沙运动的影响，发现合适尺寸的三角网可显著改变水流结构，阻水消能及促淤效果显著。刘明洋等[14]通过数值计算模拟研究流量对生态丁坝附近流场特征。Yossef等[15]通过定床水槽试验研究潜坝附近的流场、涡量和紊动能等三维水流特性。王小明等[16]基于OpenFOAM对梯形透水潜坝的三维流场进行了数值模拟，研究了透空率和流量对透水潜坝周围三维水流特性的影响规律。顾杰等[17]采用超声波水位和 PIV流速测量技术，在U形水槽中试验研究了不同水力坡度下淹没单丁坝对水流的影响。

综上所述，目前对于透水潜坝的研究仅局限于坝体结构周围的水流结构以及冲淤规律，学者们对于透空潜坝附近水流特性的影响因素认识不够深刻，不同因素下透空潜坝附近水流特性变化较为复杂，本文基于Flow3D数值模拟不同水流条件下透空潜坝附近的三维流场、涡量和紊动强度。根据数值计算结果分析不同透空率、水深和流速情况下潜坝附近水动力特性变化规律，为透水潜坝的应用研究提供理论依据。

1 研究方法

1.1 数值模型的建立

基于N-S方程和不可压缩气液两相流理论建立三维数值水槽，计算网格利用Flow3D独有的FAVOR网格处理技术进行解析。方程求解采用SIMPLE算法实现流体速度解耦，时间离散采用Euler格式。自由液面模拟采用流体体积法(VOF)精准捕捉自由面而实现。数值水槽长16 m，宽0.4 m，高0.5 m，试验水深0.15～0.35 m。水槽底部及边壁和透空潜坝表面为固壁无滑移边界。两侧面采用对称边界，通过简化模型将网格数降低到原来的一半，而在后处理时利用模型对称性还原整体模拟结果。入水口采用固定流速，出水口设置为固定水深恒压自然出流。数值模型整体采用分区多块渐变式网格。考虑到水流为恒定单向流，数值水槽采用求解精度较高的边长小于1 cm的六面体结构化网格进行划分。而对透空潜坝复杂结构附近则采用网格划分工具以边长为5 mm的结构化网格进行加密填充。同时潜坝表面设置边界层网格，以保证其附近流场求解的精确性。为保证数值计算的稳定性，潜坝附近至水槽其他区域网格密度渐进变化。数值水槽上边界恒定来流、下边界恒压出流，坝前附近的断面平均流速为控制条件。数值模型结构及网格划分见图1，数值水槽参数及工况设置见表1。

图1 数值模型结构及网格图

数值水槽透水潜坝流量/(m3·h-1)水深H/m平均流速V/(m·s-1)透空率开孔直径/mm开孔个数/个0.0900.150.0120.200.0150.250.0180.300.150.1517/23前23后210.0080.0120.0160.0200.0240.200.100.150.200.250.300.1517/23前23后210.0120.200.150.1014/170.1517/230.2020/170.2522/27前23后21

1.2 数值模型的验证

图2 水槽中轴线上各点垂向流速验证结果(P=0.15，H=0.2 m，V=0.15 m/s)Fig.2 Verification of vertical velocity at each point on central axis of flume (P=0.15，H=0.2 m，V=0.15 m/s)

验证试验在长沙理工大学水利实验中心PIV专用水槽中进行。水槽长16 m，宽0.4 m，高0.5 m，试验水深0.15～0.35 m。水槽造流由计算机控制流量变化，水槽尾部设置格栅尾门以调节水位。流速测量采用Son Tek公司的超声多普勒流速仪进行。水槽采用水泵供水，梯形透空式潜坝采用透明有机玻璃制成，长B=0.4 m，高h=0.1 cm，底宽b=0.1 cm。流场测试采用美国TSI公司的PIV系统，其中光源为双脉冲激光，采用强激光(约为120 mJ) 以保证所测区域被均匀照亮。验证试验选取长0.4 m、高0.1 m、透空率为0.15的模型在水深0.2 m、流速0.15 m/s的工况条件下进行。通过对比PIV专用水槽水流试验段坝前、坝上和坝后3个位置的垂线流速分布，得到垂线流速分布验证结果。根据图2验证结果图可知，数值模拟计算结果与PIV水槽试验结果吻合度较好，误差在合理范围内。这证明该数值模型可以很好地模拟梯形透空式潜坝附近的水流特性。

2 结果分析

2.1 透空率对梯形透空式潜坝周围水流特性影响

以水深0.2 m、断面平均流速0.15 m/s作为来水设置条件，同时以0.10，0.15，0.20，0.25共4种不同透空率潜坝结构作为潜坝模型。不同透空率周围立面流场特性分布情况如图3，坝顶上部流速相较于其他地方有所增大，坝顶上方区域内有明显的坝后水域急流。在透水潜坝周围壁面保护作用下，坝体腔内和坝后7倍坝高范围内水域水流均较为平缓。坝顶右上方产生涡旋，并伴随着回流现象。随着透空率的增大，坝顶右上方涡旋强度减小，回流减弱。但透空率增大伴随着坝体的流量增大，坝后底部回流受到影响，上升流减弱。坝前水流平顺，腔内整体水流比较平缓。可以看出相同水流条件下，透空率变化对坝后水域流速影响范围变化较小。

由图4紊动能图可知，随着透空率增大，坝前紊动强度变化不大，随着潜坝透空率逐渐增大，坝后根部高紊动区强度逐渐增大。而坝后1～4倍坝高范围内紊动强度逐渐减小。前者是因为坝体透水能力增强后透水圆孔附近流速增大，与坝后缓流区水体掺混作用加剧而造成。而后者是由于潜坝透空率越大通过坝身的水流量也越大，在总流量恒定的前提下，坝上过流随之逐渐减小。结合流场分布图来分析这一现象会发现，坝后缓流区底部回流流速逐渐减小，上升流强度减弱，上升流与坝顶水流的掺混作用减弱。这也正是造成坝后上部流区紊动强度随透空率增大而逐渐减小的原因。同时强紊动集中区刚好处于急流区与坝后缓流区分界线附近，分界线两侧流速差较大，中间区域水体交换剧烈，紊动作用加强。

图3 不同透空率透水潜坝周围立面流速场图(H=0.2 m，V=0.15 m/s)

图4 不同透空率透水潜坝周围紊动能立面图(H=0.2 m，V=0.15 m/s)(单位：J)

由图5涡量图可知，梯形透水潜坝附近涡量分布较强的位置主要是坝体顶侧和透水圆孔附近。随着透空率增大，即坝体前后面板透水圆孔孔径增大，这两个位置涡量分布强度先增后减，影响范围变化不大。另外可以看到坝后较大涡量的位置分布和流速一致。值得一提的是正负涡量间隔分布的特点形成了坝后水域流场紊动的动力源。促使水体通过潜坝后与坝后上部急流形成掺混紊动作用，能量迅速耗散。同时透过坝体流量越来越大，坝后上升流强度在这样的掺混紊动作用下也越来越弱，高度逐渐减小。而坝体腔内，除在中部和透水圆孔附近水域涡量较大外，腔内水体总体均较平缓。

图5 不同透空率透水潜坝周围涡量立面图(H=0.2 m，V=0.15 m/s)(单位：s-1)

2.2 水深对梯形透空式潜坝周围水流特性影响

为研究水深的变化对透水潜坝周围水动力特性的影响，通过保证相同的潜坝模型结构和断面平均流速，改变水深来对比研究流场分布情况。不同水深条件下的三维水流特性分布见图6。坝后水域急流主要集中在上部流区。而坝体腔内及坝后约0.8 m范围内，水流均较为平缓。随着坝前远端水深增大，坝体腔内水流流速逐渐减小，腔内水域更加平缓。这是由于除了透水潜坝周围壁面保护作用外，随着水深逐渐增大坝上流量随之增大。透坝水体经过坝体时受到坝后水体的阻滞作用在坝体腔内流速放缓。同时，坝前流速增大，势能转化为动能，断面面积缩窄，水位降低形成水跌。但水跌高度会随着水深的增大而逐渐减小。这时上部急流区、坝后上升流及底部回流等共同作用下形成了坝后漩涡回流现象。但随着水深增大，透水率逐渐减小。这是由于断面平均流速不变的前提下，水深增大，总流量增大，而透过坝身的流量变化不大，透水率自然越来越小。这时坝后底部回流变化也不大。

图6 不同水深条件下透水潜坝周围立面流速场图(P=0.15，V=0.15 m/s)

由图7可以看出水深的变化对于坝前紊动强度影响不大。由于坝顶上游侧端部对水流的顶托与坝体透水孔的过流共同作用下，在坝后透水圆口边缘和1～4倍坝高范围内形成一个高紊动强度集中区。随着水深逐渐增大，潜坝附近高紊动区强度整体逐渐减小，但影响范围变化不大。前者是因为水深增大后，潜坝过流流量变化不大，但由于坝后水位较高，透水圆孔附近流体受阻，流速减小上升流减弱。随之透坝水流与上部高速流区的掺混紊动作用减弱。而后者是由于整个断面平均流速在水深增大的过程中并没有改变。即过坝水流在断面平均流速恒定的前提下，透坝水流量变化不大，流场状态变化不大，坝体腔内及附近紊动能影响范围变化不大。在水深逐渐增大的过程中，由于透水率越来越小，即透坝水流量所占比例越来越小。于是透坝水流与翻坝水流在坝后的掺混作用减弱。这也正是造成坝后上部流区紊动强度随水深增大而逐渐减小的原因。

由图8涡量图可知，梯形透水潜坝顶侧和透水圆孔附近涡量分布较强。随着水深增大，坝顶强涡量区面积逐渐减小。因为水深增大潜坝坝上流量逐渐增大，相对流速减小，水流翻过坝顶时和潜坝之间的相互作用减弱，影响范围就随之减小。正负涡量间隔分布，这是涡旋形成的主要动力因素，形成了坝后水域流场紊动的动力源，促使水体通过潜坝后与坝后上部急流形成掺混紊动作用，能量迅速耗散。另外可以看到坝后较大涡量的位置分布和流速场一致。同时透过坝体的相对流量越来越小，坝后上升流与上部急流区之间的掺混紊动作用也越来越弱，紊动强度逐渐减小。而坝体腔内，除在中部和透水圆孔附近水域涡量较大外，腔内水体总体均较平缓。

图7 不同水深条件下透水潜坝周围紊动能立面图(P=0.15，V=0.15 m/s)(单位：J)

图8 不同水深条件下透水潜坝周围涡量立面图(P=0.15，V=0.15 m/s)(单位：s-1)

2.3 断面平均流速对梯形透空式潜坝周围水流特性影响

以梯形透水潜坝透空率为0.15，坝前远端水深0.15 m作为试验条件，同时以0.10，0.15，0.20和0.25 m/s共4种不同断面平均流速作为来水设置条件。不同断面平均流速条件下的三维水流特性分布情况如图9，该水域范围内涡旋回流现象显著，强度随断面平均流速的增大而增大。这是由于随着断面平均流速增大，透空率不变的条件下，翻坝水流流速整体增大。而翻坝水流又主要分布在坝后表层水流中。这样的水流形态形成了稳定的上升流。同时作为补充上升流所占空间，潜坝坝后底部又会形成稳定回流流速。随着坝上流速越来越大，坝后回流流速也逐渐增大。但随着断面平均流速增大，在流量一定的前提条件下，水面线形成的水跌高度也逐渐增大。坝前水流相对较为平顺，坝体腔内除透水孔附近流速较大外，腔内整体水流比较平缓。可以看出相同透空率潜坝模型，随着断面平均流速变化，在坝后0.6～0.8 m范围内的底部流区形成的“条带状”缓流区域范围变化不大。但断面平均流速的变化对坝体透水率影响不大。

图9 不同断面平均流速条件下透水潜坝周围立面流场图(P=0.15, H=0.20 m)

由图10可以看出断面平均流速的变化对坝前紊动强度影响不大。紊动强度较大的区域主要是坝体腔内透水圆孔附近及坝后1～4倍坝高范围内上部流区形成的高紊动强度集中区。可以看出随着断面平均流速逐渐增大，潜坝附近高紊动区紊动强度整体逐渐增大，但影响范围变化不大。前者是因为断面平均流速增大后，潜坝过流流量增大，相同透空率的透水潜坝结构与水流之间的相互作用更加剧烈，紊动能强度更大。而后者是由于断面平均流速在增大的过程中，潜坝本身的透水率基本没有改变。即对于相同的透空率潜坝结构，相同坝前远端水深条件下，潜坝本身透水率变化不大。坝上翻坝水流量与透坝水流量的比例变化不大，坝体附近流场流态及紊动能分布范围变化不大。

图10 不同断面平均流速条件下透水潜坝周围紊动能立面图(P=0.15, H=0.2 m)(单位：J)

由图11涡量图可知，随着断面平均流速增大，坝体顶侧和透水圆孔附近涡量分布强度逐渐增大，影响范围变化不大。另外可以看到坝后较大涡量的位置分布和流速一致。正负涡量间隔分布的特点形成了坝后水域流场紊动的动力源。促使水体通过潜坝后与上部急流形成掺混紊动作用，能量迅速耗散。总体来说，涡量强度较大的位置主要分布在潜坝前后透水孔附近及坝顶端上游侧到坝后下游范围内。

图11 不同断面平均流速条件下透水潜坝周围涡量立面图(P=0.15, H=0.20 m)(单位：s-1)

3 结 语

本文通过Flow3d数值模拟计算明渠水槽中透水潜坝周围的流速场、紊动能、涡量等的分布情况，得到潜坝透空率、水深及断面平均流速等因素对其水动力特性的影响。

(1) 相同水流条件下，潜坝透空率的变化对坝后缓流区范围影响不大。但坝后回流流速随透空率增大而逐渐减小且回流区域位置沿顺水流方向下移。随着潜坝透空率逐渐增大，坝后根部紊动强度逐渐增大，而坝后1～4倍坝高范围内紊动强度逐渐减小，涡量先增后减。

(2) 同一透空率潜坝，在相同断面平均流速条件下随着水深增大，腔内水流流速逐渐减小，水流更加平缓。而坝上流速随之增大，透水率逐渐减小。当水深增大，潜坝附近紊动强度整体减小，但紊动范围变化不大，坝顶强涡量区面积也在减小。

(3) 同一透空率潜坝，在相同水深条件下随着断面平均流速增大坝体腔内及坝后约4倍坝高范围内，涡旋回流强度逐渐增大，潜坝附近高紊动区紊动强度整体变大，但影响范围变化不大。另外坝体顶侧和透水圆孔附近正负涡量间隔分布，强度逐渐增大。