順直微彎型分汊河道水流的紊動(dòng)特性試驗(yàn)研究

顧 莉,華祖林,褚克堅(jiān),劉曉東

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098)

分汊型河道是天然河道中經(jīng)常遇到的河道形態(tài),如長(zhǎng)江中下游、珠江廣東段、贛江、湘江、松花江、黑龍江、美國(guó)密西西比河、非洲Niger河和Benue河等都經(jīng)常遇到.一般分汊河道由順直段、分汊段和再匯合段3部分組成.分汊河道中往往存在平面回流、斷面環(huán)流、螺旋流、曲線剪切層和高紊動(dòng)強(qiáng)度等許多復(fù)雜的水力現(xiàn)象,水流具有強(qiáng)烈的三維紊流特性,其水流流態(tài)的復(fù)雜多變,對(duì)河道泥沙運(yùn)動(dòng)、污染物質(zhì)運(yùn)移、河道整治、水工建筑物設(shè)計(jì)及排污口設(shè)計(jì)均會(huì)產(chǎn)生較大的影響.因此,對(duì)分汊河道水流紊動(dòng)規(guī)律進(jìn)行深入研究十分必要.前人對(duì)水流紊動(dòng)特性的研究多集中在一般順直或彎曲河道中,以及丁壩、引水口和射流等區(qū)域[1-7],針對(duì)分汊河道水流紊動(dòng)特性的深入研究尚不多見(jiàn).目前有關(guān)分汊河道的研究多為其河床演變規(guī)律、分流比計(jì)算方法、水沙運(yùn)動(dòng)特征等方面[9-10],并且針對(duì)分汊河道中的分汊口或交匯口的水動(dòng)力特性研究也相對(duì)較多[11-13].本文針對(duì)典型的順直微彎分汊河道,通過(guò)物理模型試驗(yàn)探究了在不同汊道寬度比和上游來(lái)流量條件下,分汊河道中沿程不同橫斷面的紊動(dòng)強(qiáng)度變化過(guò)程,對(duì)表、中、底3層垂向不同深度的平面紊動(dòng)強(qiáng)度分布進(jìn)行比較分析,解析并探討上游流量和汊道寬度比對(duì)汊道水流紊動(dòng)的影響機(jī)制,可為掌握分汊流的紊動(dòng)特征與機(jī)制提供基礎(chǔ)性的積累.

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與模型裝置

試驗(yàn)安排在一個(gè)特制的水槽中進(jìn)行,水槽全長(zhǎng)25m,可進(jìn)行±1°的變坡,水槽中間段特別做成放寬的矩形(4m×2.2m×0.6m),以便安裝分汊河道模型,其余部分保持為寬0.5m、高0.6m的直槽.圖1為試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸O(shè)備的平面布置示意圖.試驗(yàn)測(cè)量段由主河道、支汊1和支汊2三部分組成,各個(gè)汊道的橫斷面均為矩形,主支汊的縱坡均為0.2%.

試驗(yàn)中,水槽流量由進(jìn)口閥門(mén)、電磁流量計(jì)以及量水堰共同控制,平水頭水箱處于一定高度以保證水頭恒定.主河道寬度B0=0.5m,支汊1與支汊2的寬度分別為 B1和 B2,兩汊總寬 B1+B2=0.7m,展寬率等于1.40,接近理論展寬率1.42[14].中心島位置可以移動(dòng)以改變支汊寬度比,定義支汊1寬度比B*=B1/(B1+B2),本文選取3個(gè)不同B*,分別為0.33,0.41,0.50.下游主河道水深H固定為14.9 cm,并選取2種不同的上游來(lái)流量Q,具體試驗(yàn)工況見(jiàn)表1.圖2為試驗(yàn)斷面量測(cè)布置圖,試驗(yàn)中各橫斷面的垂線量測(cè)個(gè)數(shù)根據(jù)支汊1寬度比 B*而有所變化,每條垂線上設(shè)置7個(gè)測(cè)點(diǎn).同時(shí)考慮本次試驗(yàn)量測(cè)工作量很大,對(duì)工況4～6只針對(duì)分汊前、中、后的典型斷面進(jìn)行量測(cè)用于對(duì)比分析,具體為斷面B,L4,L7,L9,R4,R7,R9和C.

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫娌贾檬疽鈭D(單位:mm)Fig.1 Plan sketch of experimental model(units:mm)

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

圖2 橫斷面位置(單位:mm)Fig.2 Locations of cross sections(units:mm)

試驗(yàn)采用美國(guó)SonTek公司進(jìn)口的16MHz聲學(xué)多普勒流速計(jì)M icro ADV測(cè)量水流的三維流速、紊動(dòng)強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力等水動(dòng)力參數(shù).M icro ADV在每個(gè)測(cè)點(diǎn)以50Hz頻率采樣32s,每點(diǎn)共有1600個(gè)瞬時(shí)數(shù)據(jù).紊動(dòng)能k用工況1的主河道平均流速的平方進(jìn)行無(wú)量綱化處理后記為k*,紊動(dòng)能定義參照文獻(xiàn)[15].

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 水流紊動(dòng)能平面分布特征

圖3 工況1平面紊動(dòng)能分布Fig.3 Turbulent kinetic energy in three p lanes for condition 1

工況1(B*=0.50)的水平面紊動(dòng)能分布特征見(jiàn)圖3.由圖3(a)可知中層的高紊動(dòng)能分布在支汊前半段,這是由于水流在分汊口被分流,進(jìn)入支汊后流線急劇彎曲,凹岸水流分離形成回流區(qū),過(guò)流斷面束窄后,在凸岸相應(yīng)形成高流速區(qū),回流區(qū)與高流速區(qū)之間的過(guò)渡地帶流速梯度大,剪切作用顯著,水流紊動(dòng)也最為劇烈.隨著水流下移,回流區(qū)消失,原有過(guò)渡地帶的流速梯度沿程逐漸減小,紊動(dòng)能也相應(yīng)降低.水流經(jīng)過(guò)支汊彎道頂點(diǎn)斷面后,紊動(dòng)能差異明顯減小.水流運(yùn)動(dòng)到交匯斷面,兩股水流在島嶼尾尖后方區(qū)域擠壓摻混,該區(qū)域脈動(dòng)動(dòng)能大于兩側(cè)岸邊區(qū)域.分汊河道紊動(dòng)能的平面分布在垂向存在差異,尤其在支汊前半段,高紊動(dòng)區(qū)的強(qiáng)度與范圍明顯不同.由圖3(b)和(c)可知,表層和底層的高紊動(dòng)區(qū)的量值均小于中層,且中層與底層量值相差較大;垂向3層的高紊動(dòng)區(qū)出現(xiàn)的位置由表層至底層呈現(xiàn)由斷面中心逐漸偏向凹岸的趨勢(shì),底層的高紊動(dòng)區(qū)基本貼著凹岸分布;垂向3層的高紊動(dòng)區(qū)范圍也有所變化,底層高紊動(dòng)區(qū)范圍最小,僅在兩個(gè)支汊進(jìn)口段存在,中層高紊動(dòng)區(qū)范圍最大,由進(jìn)口段一直延續(xù)到支汊彎道頂點(diǎn),表層高紊動(dòng)區(qū)范圍略小于中層.

圖4為工況2和工況3的中層平面紊動(dòng)能分布圖.比較圖3和圖4可知,工況1的兩支汊關(guān)于中心島對(duì)稱(chēng)分布,兩支汊的寬度相等(B*=0.50),支汊中的紊動(dòng)能也基本呈對(duì)稱(chēng)分布.當(dāng)B*從0.50減小到0.41時(shí)(工況2),左右支汊寬度不等,支汊2變?yōu)橹縻?支汊1中高紊動(dòng)區(qū)相比于支汊2其量值與范圍均有所下降(圖4(a)).當(dāng)B*減小到0.33時(shí)(工況3),兩支汊寬度的差距進(jìn)一步加大,支汊2的寬度約為支汊1的2倍,支汊2的回流區(qū)尺寸與凸岸側(cè)流速值進(jìn)一步增加,引起高紊動(dòng)區(qū)的范圍擴(kuò)大,向支汊出口段延伸;相反,支汊1中流速減緩,回流區(qū)尺寸縮小,高紊動(dòng)區(qū)的量值與范圍與支汊2相比都顯著減小(圖4(b)).可見(jiàn),不同支汊寬度比對(duì)平面紊動(dòng)能分布的影響主要體現(xiàn)在兩支汊中的高紊動(dòng)區(qū)的范圍與量值隨B*減小而差異增大.3個(gè)工況的平面紊動(dòng)能分布在垂向的變化規(guī)律是相似的,高紊動(dòng)區(qū)的強(qiáng)度和范圍均以中層為最大,表層次之,底層最小.

圖4 工況2和工況3的中層平面紊動(dòng)能分布Fig.4 Turbu lent kinetic energy in m iddle plane for conditions 2 and 3

2.2 水流紊動(dòng)能斷面分布特征

圖5 工況2斷面紊動(dòng)能分布Fig.5 Turbu lent kinetic energy at cross-sections for condition 2

選擇工況2討論分汊河道的斷面紊動(dòng)能分布特征,圖5為工況2的斷面紊動(dòng)能等值線圖.進(jìn)入分汊前的斷面B自水面向下紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂線逐步增加,在近壁處達(dá)到最大值,然后再逐漸減小,此分布特征與一般單一順直河道斷面相似[16].水流分流進(jìn)入支汊后,流線彎曲,平面回流以及斷面環(huán)流充分發(fā)展,沿程各個(gè)斷面紊動(dòng)強(qiáng)度分布特征將有所變化,呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律:支汊1中,在斷面L4中心線偏凹岸側(cè)出現(xiàn)高紊動(dòng)區(qū),這是由于支汊凹岸的回流區(qū)與凸岸的高流速區(qū)之間巨大的流速梯度所致,與圖4(a)平面高紊動(dòng)區(qū)出現(xiàn)位置一致.支汊2中斷面R4紊動(dòng)強(qiáng)度分布規(guī)律與斷面L4相似,也在凹岸側(cè)形成一個(gè)紊動(dòng)強(qiáng)度核心區(qū),由于支汊2寬度大于支汊1,為主汊河道,其高流速區(qū)量值與回流區(qū)尺寸均大于支汊1,因而斷面R4最大紊動(dòng)強(qiáng)度大于斷面L4.斷面L4與R4高紊動(dòng)區(qū)均為傾斜的長(zhǎng)條橢圓形狀,由表至底沿深度方向呈現(xiàn)出由凸岸傾向凹岸分布的規(guī)律,這是由于支汊進(jìn)口段回流區(qū)尺寸由表至底沿深度方向逐漸減小,直至消失.

水流在支汊中流過(guò)進(jìn)口段進(jìn)入彎道頂部區(qū)域后,回流區(qū)消失,原有過(guò)渡地帶流速坦化,梯度差異降低,并有向凸岸輸移趨勢(shì),此時(shí)彎道頂點(diǎn)斷面L7與R7的高紊動(dòng)區(qū)范圍變大,量值減小,與斷面L4與R4相比降幅達(dá)50%左右,并向凸岸偏移(圖5).隨著水流繼續(xù)前行,在支汊后半段斷面流速趨向均勻,流速梯度減小,斷面L9與R9的紊動(dòng)強(qiáng)度分布已較為均勻,雖也有斷面高紊動(dòng)區(qū),但是其量值與周邊相差不大.與斷面L7與R7相比,高紊動(dòng)區(qū)量值下降略超50%.在交匯口附近兩股水流相遇,水流前鋒相互擠壓摩擦,島嶼尾尖后方區(qū)域紊動(dòng)劇烈,形成一個(gè)高紊動(dòng)區(qū),該區(qū)域?qū)挾燃s為15 cm,由區(qū)域中心向兩側(cè)紊動(dòng)能等值線量值迅速下降,降幅達(dá)到50%,該范圍以外紊動(dòng)能分布較為均勻.

2.3 流量對(duì)紊動(dòng)特性的影響

當(dāng)上游來(lái)流量增大時(shí),紊動(dòng)能的斷面分布特征基本相似,但是量值顯著提高.圖6為工況2與工況5的斷面L4,R4和C的垂向平均紊動(dòng)能分布圖,由圖6可知斷面L4和R4的紊動(dòng)能在橫向的分布特征基本相似,大、小流量工況下在凸岸紊動(dòng)能相差不大,隨著向凹岸推移大流量工況紊動(dòng)能增加顯著,約為小流量工況下紊動(dòng)能的2～3倍.在交匯斷面C大流量工況下紊動(dòng)能的橫向分布特征與小流量基本一致,但量值約為小流量工況的2倍左右,紊動(dòng)最為劇烈的點(diǎn)仍為島嶼尾尖后方點(diǎn).

圖6 不同流量下垂向平均紊動(dòng)能分布Fig.6 Dep th-averaged turbulent kinetic energy under different upstream flow rates

2.4 支汊寬度比對(duì)紊動(dòng)特性的影響

a.在交匯口附近兩汊水流相互沖擊,紊動(dòng)強(qiáng)烈,在交匯斷面C會(huì)形成一個(gè)紊動(dòng)強(qiáng)度較大的區(qū)域,該區(qū)域位置與汊道寬度密切相關(guān),圖7為不同支汊寬度比下交匯斷面C的紊動(dòng)能分布圖及垂向平均分布圖.由圖7可知,工況1～3交匯斷面的高紊動(dòng)核心區(qū)基本位于各自中心島的尾尖后方區(qū)域,由于工況3的左右兩汊寬度相差較大,支汊1入?yún)R角度較大,水流切入支汊2較深,所以工況3的高紊動(dòng)區(qū)位置略微偏向支汊2一側(cè).此外,由于工況1～3的支汊2寬度不斷增加,逐漸變?yōu)橹縻?其斷面流速也呈遞增趨勢(shì),相反支汊1流速不斷減小,因此斷面C高核心區(qū)以外范圍內(nèi)的紊動(dòng)能呈現(xiàn)以下規(guī)律:當(dāng)支汊寬度比B*由0.50變化到0.33時(shí),斷面C中左側(cè)對(duì)應(yīng)支汊1部分的紊動(dòng)能隨B*減小而減小,而右側(cè)對(duì)應(yīng)支汊2部分紊動(dòng)能隨B*減小而增大(圖7(d)).

b.不同支汊寬度比對(duì)支汊進(jìn)口段斷面也有一定影響.圖8為不同支汊寬度比下支汊2進(jìn)口段斷面R4的紊動(dòng)能分布圖及垂向平均分布圖.由圖8可知,不同支汊寬度比時(shí),斷面R4的紊動(dòng)強(qiáng)度分布規(guī)律相似,均在凹岸側(cè)存在紊動(dòng)強(qiáng)度較大區(qū)域,但是由于支汊2寬度隨B*減小而增加,所以高紊動(dòng)區(qū)離凸岸(中心島一側(cè))的距離增大,且高紊動(dòng)區(qū)范圍也有所擴(kuò)大.

圖7 不同支汊寬度比下交匯斷面C的紊動(dòng)能分布及垂向平均分布Fig.7 Turbulent kinetic energy at section C under different width ratios of tw o anabranches

圖8 不同支汊寬度比下斷面R4的紊動(dòng)能分布及垂向平均分布Fig.8 Turbulent kinetic energy at section R4 under different width ratios of tw o anabranches

3 結(jié) 論

a.對(duì)于分汊河道,高紊動(dòng)區(qū)在平面上處于支汊進(jìn)口段的回流區(qū)與高流速區(qū)之間的過(guò)渡地帶.不同支汊寬度比工況下,平面紊動(dòng)能分布在垂向的變化規(guī)律相似,高紊動(dòng)區(qū)的范圍與量值由表至底均呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律,高紊動(dòng)區(qū)位置沿垂向也均有向凹岸偏移的趨勢(shì),垂向3層之中,表層與中層的分布特征較為接近,底層的差異最大.隨著支汊由對(duì)稱(chēng)變?yōu)椴粚?duì)稱(chēng)分布,支汊2寬度逐漸增大,其高紊動(dòng)區(qū)的范圍與量值也相應(yīng)變大,相反,支汊1的高紊動(dòng)區(qū)量值與范圍則在逐步縮小,兩支汊的差距進(jìn)一步加大.

b.橫斷面紊動(dòng)強(qiáng)度在分汊前、中、后各有不同,進(jìn)入分汊前的斷面B紊動(dòng)強(qiáng)度由表至底逐漸增大,在近底處達(dá)到最大;支汊進(jìn)口段斷面凹岸側(cè)紊動(dòng)強(qiáng)度大,并且由表至底呈現(xiàn)為由凸岸傾向凹岸,與回流區(qū)尺寸沿深減小的變化規(guī)律相符;由彎道頂部至出口段斷面,紊動(dòng)能分布逐漸趨向均勻;交匯斷面C對(duì)應(yīng)島嶼尾尖區(qū)域紊動(dòng)劇烈,其余兩側(cè)區(qū)域紊動(dòng)能相對(duì)比較均勻.

c.上游來(lái)流量的增加對(duì)斷面紊動(dòng)能分布規(guī)律影響較小,紊動(dòng)能等值線形狀相似,只是斷面紊動(dòng)能量值顯著增加.

d.匯合后斷面高紊動(dòng)區(qū)位置隨支汊寬度比B*減小而左移,其位置基本位于各個(gè)工況下島嶼尾尖后方區(qū)域;在不同支汊寬度比下,支汊進(jìn)口斷面R4的紊動(dòng)能分布規(guī)律基本相似,只是其高紊動(dòng)區(qū)離凸岸距離隨支汊寬度增加而增大.

[1]BLANCKAERT K,VRIEND H J D.Turbulence structure in sharp open-channel bends[J].Journal of FluidMechanics,2005,536:27-48.

[2]郭維東,魏爽,孫紅梅.矩形明渠中矩形邊墩周?chē)蓜?dòng)強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力分布特性試驗(yàn)[J].水利水電科技進(jìn)展,2010,30(1):14-18.(GUO Wei-dong,WEI Shuang,SUN Hong-mei.Experimental study on turbulence intensity and Reynolds stress around rectangular cross-section cylinders in rectangular open channels[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2010,30(1):14-18.(in Chinese))

[3]劉月琴,萬(wàn)艷春.彎道水流紊動(dòng)強(qiáng)度[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,31(12):89-93.(LIU Yue-qin,WAN Yan-chu.Turbulence intensity of bend flow[J].Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition,2003,31(12):89-93.(in Chinese))

[4]楊帆,陳惠泉,郭軍.明渠岸邊側(cè)向45°取水口的水力特性試驗(yàn)研究[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2006,4(4):264-270.(YANG Fan,CHEN Hui-quan,GUO Ju.Experimental study on hydrau lic characteristics of 45°lateral intake flow in open channel[J].Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research,2006,4(4):264-270.(in Chinese))

[5]曹艷敏,張華慶,蔣昌波,等.丁壩沖刷坑及下游回流區(qū)流場(chǎng)和紊動(dòng)特性試驗(yàn)研究[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展:A輯,2008,23(5):560-569.(CAO Yan-min,ZHANG Hua-qing,JIANG Chang-bo,et al.The experimental research of the flow field and turbulence characteristics in the scour and backflow region around a groin[J].Chinese Journal of Hydrodynamics,2008,23(5):560-569.(in Chinese))

[6]李志偉,錢(qián)忠東,槐文信.徑向射流紊動(dòng)特性分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2009,42(6):691-694.(LI Zhi-wei,QIAN Zhongdong,HUAI Wen-xi.Analysis of turbulent behavior of radial jet[J].Engineering Journal of Wuhan University,2009,42(6):691-694.(in Chinese))

[7]呂升奇,唐洪武,閆靜.有無(wú)植物條件下明渠水流紊動(dòng)特性對(duì)比[J].水利水電科技進(jìn)展,2007,27(6):64-68.(LU Sheng-qi,TANG Hong-wu,YAN Ji.Comparison of turbulence characteristics of water flow in open channels with and without vegetation[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2007,27(6):64-68.(in Chinese))

[8]張為,李義天,江凌.三峽水庫(kù)蓄水后長(zhǎng)江中下游典型分汊淺灘河段演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版,2008,40(4):17-24.(ZHANG Wei,LI Yi-tian,JIANG Ling.Fluvial p rocess change of the typical multi-branched meandering reach in the middown Yangtze River after three gorges dam impoundment[J].Journal of Sichuan University:Engineering Science Edition,2008,40(4):17-24.(in Chinese))

[9]胡靜,陳沈良,谷國(guó)傳.長(zhǎng)江河口水沙分流和輸移的探討[J].海洋工程,2007,26(2):1-10.(HU Jing,CHEN Shen-liang,GU Guo-chuan.An approach to water and sediment diversion ratios and transports in the changjiang river estuary area[J].Coastal Engineering,2007,26(2):1-10.(in Chinese))

[10]RICHARDSON W R,THORNE C R.Multiple thread flow and channel bifurcation in a braided river:Brahmaputra-Jamuna River,Bangladesh[J].Geomorphology,2001,38:185-196.

[11]RAMAMURTHY A S,QU J Y,VO D.Numerical and experimental study of dividing open-channel flows[J].Journal of Hydraulic Engineering,ASCE,2007,133(10):1135-1144.

[12]吳迪,郭維東,劉卓也.復(fù)式斷面河道“Y”型交匯河口水流水力特性[J].水利水電科技進(jìn)展,2007,27(3):21-23.(WU Di,GUO Wei-dong,LIU Zhuo-ye.Hydraulic characteristics of water flow at“Y”-shaped junction of river channel with compound cross-section[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2007,27(3):21-23.(in Chinese))

[13]劉同宦,郭煒,詹磊.90°支流入?yún)R區(qū)域時(shí)均流速分布特征試驗(yàn)研究[J].水科學(xué)進(jìn)展,2009,20(4):487-489.(LIU Tong-huan,GUO Wei,ZHAN Lei.Experimental study of the velocity profile at90°open channel confluence[J].AdvancesinWater Science,2009,20(4):487-489.(in Chinese))

[14]錢(qián)寧,張仁,周志德.河床演變學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1987.

[15]張書(shū)農(nóng).環(huán)境水力學(xué)[M].南京:河海大學(xué)出版社,1988:4-5.

[16]鄧安軍,陳立,林鵬,等.紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂線分布規(guī)律的分析[J].泥沙研究,2001(5):33-36.(DENG An-jun,CHEN Li,LING Peng,et al.Analyses on distribution rule of turbulence intensity along depth[J].Journal of Sediment Research,2001(5):33-36.(in Chinese))