不透水刚性板局部三维流场结构试验研究

2019-12-03杨元平

浙江水利科技 2019年6期

杨元平，何昆

（1.浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020；2.浙江省河口海岸重点实验室，浙江杭州 310020）

1 问题的提出

不透水刚性坝是一种应用广泛的河道整治建筑物，刚性坝的存在改变了原有的水流结构，使整个流场呈高度的三维性。近年来，对不透水刚性坝周边的水流结构有大量的研究，周阳[1]等对弯道内的非淹没丁坝附近水流现象做了相应的研究，得到了整个弯道区域水面线出现扭曲现象，另外，还得出在横向断面上丁坝上游水面线的分布规律。彭静[2]等基于颜料示踪和油膜技术对刚性坝附近的流场分布进行可视化记录研究。数学模型方面，胡子俊[3]等采用RANS方法对丁坝绕流进行模拟，通过不同湍流模型与试验观测结果进行对比后得出RNGk-ε湍流模型的精度较高，数值计算得到的流场变化形态与试验观测和客观流场运动规律吻合的结论。宁健[4]等基于Flow-3D模拟软件建立了水沙数值模型，很好地反映了刚性坝附近的流场信息与床面变形特征。这些研究成果一致认为[5]刚性坝坝头附近有一个马蹄形漩涡，水流在绕过坝头一定角度后边界层发生分离，分离点以后即坝下游的回流区和主流区交界形成旋转角速度较大的一连串的尾流漩涡（也称竖轴漩涡）。正是由于丁坝附近马蹄形漩涡、尾涡等这一系列的三维涡体结构，导致紊动增强，河床泥沙更易起动，从而形成冲刷。

本文采用“小威龙二代”（Vectrino Ⅱ）剖面流速仪对水槽中不透水刚性板附近的流场进行三维测量，根据测量结果对刚性板周边流场特征进行分析，研究水流中设置不透水刚性板后局部流场结构特征。

2 试验概述

试验在浙江省河口海岸重点实验室的玻璃水槽中进行，水槽长50.0 m，宽1.2 m，高0.6 m。水流试验条件选取水深H= 0.20 m，流速分别取V= 0.1，0.2，0.3 m/s进行水流流场结构测量，为提高ADV信噪比，在上游侧持续加示踪粒子（见图1）。刚性板垂直于水流方向宽b= 40 cm，关于水槽纵轴线对称布置。刚性板高度25 cm，试验过程中刚性板顶部不过流。以水槽底部河床面为XY平面，刚性板底部中心点位置为原点O，沿水流方向为X轴，水平面内垂直于流向为Y轴，垂直向上为Z轴（见图2）。

在刚性板上游侧沿垂直水流方向布置3个测流断面，距刚性板距离分别为5，25，50 cm，刚性板下游布设9个测流断面，与刚性板距离分别为5，10，15，20，30，40，50，70，90 cm。每个断面布置5条测流垂线（刚性板断面布置3条），测流垂线距水槽中心线距离分别为0，10，20，30，40 cm。另外在刚性板轴线布置一断面，测流垂线位置距水槽中心线分别为20，30，40 cm。测流垂线布置见图2。

采用“小威龙二代”（Vectrino Ⅱ）剖面流速仪对垂线流速进行测量，“小威龙二代”（Vectrino Ⅱ）剖面流速仪每次能测3.2 cm厚的垂线流速，最小分层间距1 mm，本次测流分层间距4 mm，测量Z= 0.3 ～ 18.0 cm分层流速。

图1 水槽试验布置图

图2 测点平面布置图

试验前对水流进行调试率定，当时均流速分别达到V=0.10，0.20，0.30 m/s并稳定一段时间后进行试验数据采集。

3 流场特征分析

3.1 中心剖面纵向流速特征

图3 ～ 5为各流速条件下刚性板中心纵断面速度矢量图及云图。从图3 ～ 5中可以看出，上游50 cm处垂线流速垂线分布基本呈抛物线，随着离刚性板越近，流速整体逐渐变小，由于刚性板的阻水，上层水流在刚性板前下潜，且越接近刚性板流速越小。

在刚性板下游侧，水流出现明显逆向流动，水流从下游流向上游刚性结构处。从速度云图及垂线流速分布都可看出，不同流速条件下，在距刚性板下游70 cm垂线，上层水流流向下游方向，而底层水流依然流向上游，但流向下游的水体厚度大于流向上游的水体厚度，表明在该位置逆向流动仅存在于底层，但从流速大小来看，底层流向上游的最大流速大于上层流向下游的最大流速，总体来看，正向与逆向流动的分界位置基本在60 ～ 80 cm附近。

图3 中心纵断面速度矢量图及云图（V = 0.10 m/s）

图4 中心纵断面速度矢量图及云图（V = 0.20 m/s）

图5 中心纵断面速度矢量图及云图（V = 0.30 m/s）

3.2 平面分层流场特征

图6 ～ 8为各工况刚性板不同高程面层下的平面流速矢量图及云图，图9为表层、中层、底层分层流速矢量叠加图。从分层流速矢量及速度云图可以看出，由于刚性板的挑流作用，刚性板头部外侧流速增大明显，流速出现偏转，表层流速最大增大70%以上，向下游流速增大幅度逐渐减小。

从图6 ～ 9可以看出，刚性结构头部附近流速向外偏转，自上至下，刚性板头部流矢偏转幅度逐层增大，底层流矢偏转幅度最大，这是由于刚性结构拦截的水体在坝前下潜，最后在底部绕过刚性板流出，底部绕流相对增大较大所致。

从图6 ～ 8还可以看出，刚性板下游侧存在一个明显的竖轴涡流，漩涡尺寸随水深变化，由表层向底层涡旋横向宽度呈逐渐增大趋势，如在V= 0.10 m/s流速条件下，表层、中层、底层涡旋宽度分别为24，27，32 cm，表层涡横向宽度最小，中层居中，底层涡旋的横向宽度最大。这与刚性结构头部流矢偏幅度转相对应，流速偏转越大，涡旋横向宽度越大。

由于刚性板的掩护作用，在刚性板后方局部范围内流速减小。如近刚性板表层流速减小到无刚性板时流速的10%以内；在距丁坝轴线10 ～ 50 cm范围内，流速减小幅度在20% ～ 40%，但此时水流流向与无刚性板时流向相反，该区域水流呈逆向流动。

距丁坝轴线50 cm后存在流速减小显著区域，结合流矢图，可以认为该区域为逆向流动与正向流动的分离区。不同层逆向流动与正向流动分离区存在差异，从表层到底层，分离区逐渐向下游移动。如在V= 0.10 m/s水流条件下，表层逆向流动与正向流动分离区在50 ～ 80 cm，底层分离区基本已在70 cm之后，其它流速条件下逆向流动与正向流动分离区变化趋势与0.10 m/s水流条件类似。