變流速比與寬度比條件下分汊河道分層流紊動(dòng)特性

顧 莉，袁 航，華祖林，王蘭蘭，李秋蘭，焦梓楠

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(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)

水流在流經(jīng)分汊河道時(shí)會(huì)產(chǎn)生分流 轉(zhuǎn)向和匯合 流態(tài)十分復(fù)雜 呈現(xiàn)強(qiáng)烈的三維紊流特性 當(dāng)溫差剪切分層流流經(jīng)分汊河道時(shí)，其水流結(jié)構(gòu)與紊動(dòng)特性將更加復(fù)雜，會(huì)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)等產(chǎn)生較大的影響。因此，對(duì)具有溫差剪切分層流的分汊河道水流紊動(dòng)規(guī)律進(jìn)行深入研究十分必要。前人對(duì)紊動(dòng)能在河道中的分布特征研究主要集中在順直和彎曲河道中［3-8］，還有少量涉及復(fù)式交匯河道［9］、射流［10］以及有植物生長(zhǎng)水流紊動(dòng)特性［11］的研究。關(guān)于分汊河道水流紊動(dòng)方面，只有少量均質(zhì)流的研究報(bào)道。譬如:顧莉等［2］通過物理模型試驗(yàn)探索了順直微彎型分汊河道的均質(zhì)水流紊動(dòng)特性;王偉峰等［12］對(duì)彎曲分汊河道的紊動(dòng)特征進(jìn)行研究，指出汊道分流比對(duì)彎曲分汊河道脈動(dòng)動(dòng)能的分布影響較大。此外，分層流在順直和彎曲河道中的水流紊動(dòng)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性方面也有相關(guān)報(bào)道［13-15］，但是對(duì)于溫差剪切分層流在分汊河道中的紊動(dòng)規(guī)律尚不清楚，相關(guān)研究還未見報(bào)道。

筆者通過建立物理模型試驗(yàn)，探究在變化的汊道寬度比和上下層流速比條件下分汊河道溫差剪切分層流中紊動(dòng)能的變化規(guī)律。對(duì)支汊寬度比為0.33、0.50、0.67的汊道中紊動(dòng)強(qiáng)度沿程分布進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)結(jié)合斷面縱向流速和二次流結(jié)構(gòu)探討紊動(dòng)能變化機(jī)制，并對(duì)流速比為0.34、0.46、0.68等不同工況下的紊動(dòng)能分布規(guī)律與水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與探索。

1 試 驗(yàn) 裝 置

試驗(yàn)在有機(jī)玻璃水槽內(nèi)進(jìn)行，水槽長(zhǎng)11.71 m，主要包括順直進(jìn)水段、分汊段和順直出水段3部分。試驗(yàn)裝置平面分布如圖1所示。進(jìn)、出水段水槽均長(zhǎng)5 m，斷面寬度B0=0.28 m，進(jìn)水段在距底0.15 m處設(shè)0.003 m厚的玻璃薄板，將水槽分為上下2層，上層引入熱水，下層引入冷水，在冷熱水的入口處均設(shè)置穩(wěn)流裝置，使入流穩(wěn)定均勻;上層水深4 cm，下層水深15 cm。分汊測(cè)量段支汊水槽長(zhǎng)1.71 m，左右汊道總寬度B1+B2=0.4 m，中心島位置可以移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同的汊道寬度比B*(定義B*=B1/(B1+B2))，分汊段上架設(shè)ADV測(cè)速儀器與高精度溫度計(jì)等測(cè)量設(shè)備;出水段尾端安裝自動(dòng)尾門，控制出流水位。分別采用電磁流量計(jì)和珠子流量計(jì)控制冷、熱水流量，利用電阻加熱棒對(duì)熱水箱中的水體加熱，使得上層水溫度高于下層冷水10℃左右。上下層2股水流在分汊河道的分汊口前方交匯，形成分層流，試驗(yàn)尾水經(jīng)回水系統(tǒng)排出。

本文主要對(duì)分汊河道溫差剪切分層流在不同流速比和不同汊道寬度比情況下的紊動(dòng)能變化規(guī)律進(jìn)行研究。對(duì)于對(duì)稱分汊河道，試驗(yàn)選取流速比u1/u2=0.34、0.46、0.68共3個(gè)工況，見表1工況1、2、3。其次，針對(duì)流速比為0.34的混合情形，進(jìn)一步開展分汊河道寬度比為0.33和0.67的物理模型試驗(yàn)，將其紊動(dòng)能變化規(guī)律與對(duì)稱汊道進(jìn)行對(duì)比分析 共 個(gè)工況 試驗(yàn)工況見表 工況 為了詳細(xì)揭示剪切流在分汊河道中的紊動(dòng)規(guī)律，在2條支汊中分別布置7～9個(gè)斷面，交匯口設(shè)1個(gè)斷面，根據(jù)斷面寬度不同，設(shè)置不等數(shù)量的垂線，每條垂線上均布設(shè)19個(gè)測(cè)點(diǎn)。不同寬度比分汊河道模型中斷面布置情況見圖2。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Sketch of experimental setup

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

圖2 測(cè)量段斷面布置情況Fig.2 Locations of measurement cross-sections

紊流強(qiáng)度通常用紊動(dòng)能σu進(jìn)行表征。利用斷面平均流速平方進(jìn)行無(wú)量綱化處理后表示為σ*u。斷面寬度和深度無(wú)量綱化處理后表示為r*和z*，分布在［0，1］范圍內(nèi)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同分汊寬度比條件下紊動(dòng)特性

選取流速比為0.34條件下B*=0.33、0.50和0.67工況下左支汊的1、2、4、6斷面進(jìn)行分析，其中B*=0.67工況左支汊1斷面由于位置超出支汊范圍沒有測(cè)量，從斷面2開始測(cè)量。3個(gè)工況斷面紊動(dòng)能分布見圖3，斷面圖為面向水流下游方向所視。在B*=0.33工況入口L1斷面，冷熱水交界處和支汊外岸側(cè)出現(xiàn)了紊動(dòng)強(qiáng)烈的區(qū)域，底部略有增強(qiáng)，斷面上高紊動(dòng)能區(qū)域大致呈現(xiàn)C形，故其為C形分布;結(jié)合斷面L1的縱向流速等值線圖進(jìn)行分析(圖4(a))，可知B*=0.33工況L1斷面的外岸側(cè)為回流負(fù)值區(qū)，表層為低流速區(qū)，斷面的右下角即內(nèi)岸側(cè)的中部和底部為高流速區(qū)，高、低流速過渡區(qū)流速梯度大、剪切強(qiáng)、水流紊動(dòng)劇烈，形成了紊動(dòng)能高值區(qū) 工況1斷面只在冷熱水交界層出現(xiàn)了紊動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域 底部紊動(dòng)能也有所增大，但是外岸側(cè)未出現(xiàn)高值區(qū)。

圖3 不同汊道寬度比條件下斷面紊動(dòng)能分布特征Fig.3 Distributions of sectional turbulent intensities with different width ratios of two anabranches

水流經(jīng)過L2斷面時(shí)，B*=0.33工況上下層交界處流速差異減小，紊動(dòng)能下降，但在斷面河寬中心處出現(xiàn)了高紊動(dòng)區(qū)，主要由于此時(shí)在外岸側(cè)回流區(qū)最寬處擴(kuò)展到斷面40%河寬附近(圖4(b))，內(nèi)岸側(cè)為高速流動(dòng)區(qū)，2個(gè)區(qū)域過渡地帶紊動(dòng)強(qiáng)烈，正好位于斷面河寬中心處，此時(shí)B*=0.50和B*=0.67工況的L2斷面紊動(dòng)能高值區(qū)開始出現(xiàn)C形分布，相對(duì)于B*=0.33工況其具有滯后性，主要原因是回流區(qū)在不同寬度支汊中出現(xiàn)的位置具有滯后性所致。

圖4 B*=0.33工況斷面的縱向流速和斷面二次流分布Fig.4 Distributions of longitudinal velocity and secondary current when B*=0.33

L4斷面B*=0.33的紊動(dòng)能分布呈現(xiàn)倒C形分布，主要在斷面的內(nèi)岸側(cè)和上下層區(qū)域紊動(dòng)強(qiáng)烈，由L4斷面的縱向流速等值線(4(c))可知，在斷面中心區(qū)域靠近外岸側(cè)有一個(gè)低速流動(dòng)區(qū)域，在斷面的內(nèi)岸側(cè)以及斷面的表層和底部區(qū)域流速較大，流速梯度密集的區(qū)域呈現(xiàn)倒C形，與紊動(dòng)能高值區(qū)位置吻合一致。該斷面流速與紊動(dòng)能分布是在其環(huán)流結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下形成的，由圖4(d)可知L4斷面存在上下2個(gè)反向環(huán)流，2個(gè)環(huán)流在斷面中心水深附近相交形成穩(wěn)定的水平流場(chǎng)，將外岸側(cè)的低流速輸運(yùn)到斷面中心，同時(shí)內(nèi)岸側(cè)高流速被2個(gè)環(huán)流分別輸移到斷面的表層與底層，由此形成倒C形分布流速梯度密集區(qū)與紊動(dòng)能高值區(qū)。B*=0.50工況也初步形成倒C形分布，但是強(qiáng)紊動(dòng)區(qū)相較于B*=0.33工況還未輸移至內(nèi)岸，略有滯后;B*=0.67工況紊動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域主要分布在斷面中心，分布特征類似B*=0.33工況的L2斷面，由于分離區(qū)范圍擴(kuò)大至斷面中心附近，因此滯后性明顯。

在彎道頂點(diǎn)斷面L6，B*=0.33工況全斷面紊動(dòng)能分布基本均勻，整體量值減小，紊動(dòng)強(qiáng)度減弱顯著;B*=0.50對(duì)稱支汊，L6斷面仍呈現(xiàn)倒C形分布，且紊動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域已到達(dá)內(nèi)岸側(cè)，此時(shí)B*=0.67工況倒C形分布也已形成，但其紊動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域并沒有完全到達(dá)支汊內(nèi)岸側(cè)，同B*=0.50工況的L4斷面，最寬處位于80%河寬附近。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，支汊后半段3個(gè)工況在全斷面的紊動(dòng)強(qiáng)度繼續(xù)減小，分布更加均勻。

由斷面紊動(dòng)能分布圖(圖5)可以明顯地看出，對(duì)于不同分汊寬度比的支汊，支汊由窄至寬的過程中沿程變化的規(guī)律具有相似性，但在汊道變寬過程中紊動(dòng)能的整體量值逐漸增強(qiáng)。B*=0.33、0.50和0.67工況的斷面紊動(dòng)能量值之比，L4斷面為0.9∶1∶2.46，L6斷面為0.44∶1∶1.26。同時(shí)，還有一個(gè)十分重要的特征，即紊動(dòng)能分布規(guī)律具有滯后性。在B*=0.33左支汊C形分布形成斷面為L(zhǎng)1斷面，B*=0.50和B*=0.67條件下左支汊C形分布形成斷面為L(zhǎng)2斷面。B*=0.33和B*=0.67左支汊倒C形分布形成斷面由L4變?yōu)長(zhǎng)6，B*=0.50工況介于兩者之間?？梢钥闯?，在整個(gè)變化過程中，C形分布和倒C形分布的滯后性始終存在，主要是由分離區(qū)出現(xiàn)的位置以及長(zhǎng)度決定的。

2.2 不同流速比條件下紊動(dòng)特性

不同流速比工況之間紊動(dòng)能分布也有所差異，選取3種流速比工況的L4、L5斷面進(jìn)行紊動(dòng)能分布的對(duì)比分析(圖5)。在流速比為0.34的工況1斷面分布中可以看出，紊動(dòng)能的倒C形分布在L4斷面完全形成，且在L5斷面倒C形分布也存在，同時(shí)紊動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域不斷向斷面內(nèi)岸側(cè)移動(dòng)，在移動(dòng)的過程中紊動(dòng)強(qiáng)度逐漸減小。而對(duì)于工況2，L4、L5斷面的紊動(dòng)能分布特征顯著不同，特別是在L5斷面，紊動(dòng)能分布主要由斷面左下至右上形成斜帶狀分布，由于L5斷面的縱向流速在斷面的左上區(qū)域?yàn)榈土魉賲^(qū)，右下區(qū)域?yàn)楦吡魉賲^(qū)，低、高流速區(qū)的過渡區(qū)剪切強(qiáng)、流速梯度大，也呈現(xiàn)出斜帶狀分布。工況3的倒C形分布沒有工況1明顯，在L4至L5斷面的變化過程中，紊動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域具有逐漸向內(nèi)岸側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)，紊動(dòng)強(qiáng)度峰值下降。隨著流速比的增大，紊動(dòng)能量值逐漸減小，紊動(dòng)能最大量值之比L4斷面為1.2∶0.5∶0.3，L5斷面為1.0∶0.38∶0.29。

圖5 不同流速比條件下對(duì)稱汊道部分?jǐn)嗝嫖蓜?dòng)能分布特征Fig.5 Distributions of sectional turbulent intensities with different velocity ratios in symmetric braided river

2.3 交匯口紊動(dòng)特性對(duì)比分析

對(duì)于不同工況下分汊河道交匯口斷面的紊動(dòng)特性也進(jìn)行了對(duì)比分析，0.34流速比的工況1和0.68流速比的工況3交匯口斷面的紊動(dòng)能分布見圖6。由圖6可知，對(duì)稱汊道即B*=0.50的不同流速比工況下，交匯口斷面的紊動(dòng)分布特征整體規(guī)律具有相似性，在斷面中心河寬位置的整個(gè)水深上紊動(dòng)均較為強(qiáng)烈，斷面近左岸和右岸區(qū)域紊動(dòng)較小，主要是由于水流運(yùn)動(dòng)到支汊后半段時(shí)已經(jīng)在全斷面紊動(dòng)分布均勻且紊動(dòng)強(qiáng)度較小，交匯口兩支汊合并，水流相互撞擊摻混，在出口斷面中心位置紊動(dòng)能增強(qiáng)明顯。但是，隨著流速比的增大，可以看到交匯口斷面整體紊動(dòng)能量值的減小。

對(duì)于B*=0.33的分汊河道，交匯口斷面的紊動(dòng)能分布特征與汊道對(duì)稱的工況1紊動(dòng)能分布有著較大的不同，圖7為B*=0.33工況下交匯口斷面紊動(dòng)能分布、縱向流速等值線和斷面二次流。從圖7中可以看出，對(duì)于B*=0.33工況下，交匯口斷面的紊動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域轉(zhuǎn)移到了斷面的左岸側(cè)0.2倍河寬處，且上層水體紊動(dòng)更為強(qiáng)烈。結(jié)合0.33寬度比的縱向流速等值線可以看出 斷面左側(cè)對(duì)應(yīng)流速低的左支汊 斷面的右側(cè)為較高流速的右支汊 寬度不同的左右支汊水流在出口斷面交匯后摻混區(qū)具有一定的流速差異，形成較大流速梯度，水流紊動(dòng)強(qiáng)烈。同時(shí)，結(jié)合交匯斷面的二次流可以看到，兩股水流在島尖下游對(duì)撞后由表層向底部運(yùn)動(dòng)，垂向紊動(dòng)顯著增強(qiáng)，可見汊道交匯口斷面紊動(dòng)能分布與汊道寬度密切相關(guān)。

圖6 工況1和工況3的交匯口斷面紊動(dòng)功能分布Fig.6 Turbulent intensity distribution at confluent section under conditions 1 and 3

圖7 工況4交匯斷面紊動(dòng)能、縱向流速和斷面二次流分布Fig.7 Distributions of turbulent intensity，longitudinal velocity，and secondary current at confluent section under condition 4

3 結(jié) 語(yǔ)

通過建立物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ停骄苛嗽谧儗挾缺群土魉俦葪l件下分汊河道中分層流紊動(dòng)能的變化規(guī)律。對(duì)于不同汊道寬度比，支汊由窄至寬的過程中，沿程斷面的變化規(guī)律具有相似性，紊動(dòng)能高值區(qū)主要分布在上下層冷熱水交界面，以及分離區(qū)與高流速過渡帶等流速梯度變化顯著區(qū)域，因此沿程斷面的紊動(dòng)強(qiáng)度高值區(qū)首先呈現(xiàn)C形分布，之后變化形成倒C形分布，在支汊后半段全斷面逐漸均勻分布。但是斷面上C形與倒C形高值區(qū)出現(xiàn)的斷面位置隨汊道由窄至寬具有滯后性，且紊動(dòng)能的整體量值呈增強(qiáng)趨勢(shì)。

對(duì)于不同流速比的紊動(dòng)能分布特征，差異主要在分布的范圍和量值上，隨著流速比的增大，紊動(dòng)程度不斷減弱，流速比為0.46條件下并沒有出現(xiàn)明顯的倒C形分布，彎頂前斷面高紊動(dòng)區(qū)呈現(xiàn)了斜帶狀分布特征，彎頂斷面則在斷面1/2水深附近水流紊動(dòng)強(qiáng)烈。

對(duì)于交匯口的紊動(dòng)特征，對(duì)稱汊道在不同流速比的工況下斷面分布特征基本相似，只在紊動(dòng)強(qiáng)度量值上有所不同，隨著流速比的增大，紊動(dòng)程度呈減小趨勢(shì)。不對(duì)稱汊道條件下，交匯口斷面紊動(dòng)能強(qiáng)烈區(qū)域向更窄的左支汊一側(cè)移動(dòng)，二次流的摻混位置和縱向流速的高流速梯度區(qū)均在斷面近左岸側(cè)，與紊動(dòng)能強(qiáng)烈區(qū)相吻合。

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