丁壩布置方位角對(duì)河道水流流態(tài)的影響分析

蘆 松

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津300250）

在治河工程中，丁壩是廣泛應(yīng)用的水工建筑物，在交通建設(shè)、河灘圍墾和海涂工程中，丁壩也是常用的建筑物之一［1］。其主要功能為保護(hù)河床不受來流直接沖蝕而產(chǎn)生淘刷破壞，同時(shí)它也在改善航道、維護(hù)河相及保全水生生息場(chǎng)多樣化方面發(fā)揮著作用。丁壩修建后局部地改變了河流流動(dòng)形態(tài)，壩體尾部旋渦的產(chǎn)生、分離和衰減使水流呈強(qiáng)三維紊動(dòng)特性，相應(yīng)流動(dòng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜［2］。探討丁壩近體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)不僅具有重要的水力學(xué)研究?jī)r(jià)值，也對(duì)丁壩的實(shí)際工程應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

丁壩作為廣泛使用的河道整治和維護(hù)建筑物，以丁壩與水流方向的夾角來區(qū)分，丁壩可分為上挑、下挑和正挑3種［3］。國(guó)內(nèi)外常采用的壩軸線與水流線的夾角為：上挑丁壩，110°～120°；下挑丁壩，70°～60°，甚至更??；正挑丁壩，90°。夾角的不同，對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響也不同。本文結(jié)合彭靜［4］關(guān)于丁壩近體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)可視化實(shí)驗(yàn)研究，利用數(shù)值模擬方法分析丁壩在不同布置方位角條件下對(duì)水流流態(tài)的影響。

1 計(jì)算模型

1.1 RNG模型

RNG紊流模型是由Yakhot及Orzag在1986年基于重整化群方法首先推導(dǎo)出的［5］，并在1992年對(duì)該模型進(jìn)行了改進(jìn)和完善。該模型的主要特點(diǎn)是：修正了湍流粘度，考慮了平均流動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)情況，并且在ε方程中增加了一項(xiàng)，從而能夠反應(yīng)主流的時(shí)均應(yīng)變率；RNG k-ε紊流模型中產(chǎn)生項(xiàng)不僅與流動(dòng)情況有關(guān)，同時(shí)還考慮了該問題的空間坐標(biāo)函數(shù)。

1.2 VOF模型

對(duì)于水流自由表面處理方法可以分為剛蓋假定法和VOF自由表面法兩種方法。VOF法相對(duì)于剛蓋假定方法更能分析自由液面的變化。

所謂VOF模擬是通過求解單獨(dú)的動(dòng)量方程和處理穿過區(qū)域的每一流體的體積分?jǐn)?shù)來模擬兩種或多種不能混合的流體。

VOF模型中的兩相或多相流體互不穿插，對(duì)增加到模型中的每一相引入體積分?jǐn)?shù)變量，即計(jì)算單元中的體積分?jǐn)?shù)。在每個(gè)計(jì)算單元內(nèi)，所有體積分?jǐn)?shù)之和等于1。所有變量及其屬性的區(qū)域被各相共享并且代表了體積平均值，每一相的體積分?jǐn)?shù)在每一個(gè)位置是可知的。在任何一個(gè)給定單元內(nèi)的變量及其屬性可能只是其中一相的變量及其屬性，或多相混合的變量及其屬性，這就取決于體積分?jǐn)?shù)值［5］。在單元中，假設(shè)αw表示水的體積分?jǐn)?shù)，αa表示氣的體積分?jǐn)?shù)，由上可知：

αa+αw=1

那么在一個(gè)單元里可能會(huì)出現(xiàn)以下3種情況：

（1）當(dāng)αw=0時(shí)，控制單元內(nèi)沒有水，即充滿空氣；

（2）當(dāng)0<αw<1時(shí)，控制單元內(nèi)包含水氣界面;

（3）當(dāng)αw=1時(shí)，控制單元內(nèi)充滿著水。

2 模擬條件

2.1 計(jì)算區(qū)域

結(jié)合彭靜關(guān)于丁壩近體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)可視化實(shí)驗(yàn)，為消除上游入口、下游出口對(duì)丁壩處水流流場(chǎng)的干擾，設(shè)置水槽長(zhǎng)10m、寬0.6m，丁壩布置在距離入口4m處，水槽坡降1/700。模型丁壩寬3cm，高5cm，長(zhǎng)度保持壩頭至壩的距離 0.1m。 布置方位角分別為 120°、90°、60°。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，沿水深方向采用均勻網(wǎng)格劃分，水流方向在丁壩附近進(jìn)行了局部的加密，網(wǎng)格邊長(zhǎng)0.02m。節(jié)點(diǎn)數(shù)120624個(gè)。

2.3 計(jì)算工況

3種不同布置條件采用同一工況，水槽流量為21.31/s，丁壩間距20cm，下游控制水深0.076m。

2.4 邊界條件

利用VOF方法計(jì)算，進(jìn)口分為氣流入口和水流入口，水流入口采用速度入口邊界條件，水深定位0.1m，水流流速0.385m/s，氣流入口設(shè)置為壓力進(jìn)口，壓強(qiáng)等于大氣壓。出口同樣分為兩層，上部的氣流出口和下部的水流出口，水流出口設(shè)置為壓力出口，控制水深0.076m，氣流出口設(shè)置為壓力出口。

3 計(jì)算結(jié)果分析

應(yīng)用RNG k-ε紊流模型對(duì)不同布置方位角條件下的丁壩進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同布置情況下流場(chǎng)速度分布。取近底層z=0.02m，丁壩表層z=0.05m，比較分析兩個(gè)流層的流場(chǎng)分布如圖1～圖3。

圖1 下挑式丁壩條件下流場(chǎng)分布

圖2 正挑式丁壩條件下流場(chǎng)分布

圖3 上挑式丁壩條件下流場(chǎng)分布

分別比較3種工況下壩頭處水流流速，如表1。

表1 丁壩壩頭流速比較 單位：m/s

通過比較分析3組圖發(fā)現(xiàn)，丁壩的近體流動(dòng)結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)烈的三維紊動(dòng)和非恒定特性。在淹沒條件下壩頭分離流和壩頂溢流將在其相應(yīng)下游側(cè)分別形成水平方向及垂直方向的回旋流動(dòng)，但壩頂溢流形成的垂直方向回旋流占優(yōu)，二者的共同作用使得壩后合成旋渦流動(dòng)傾斜。

在丁壩遮擋的流段內(nèi)流速降低，在壩頭附近，因繞流使得流速急劇加大。3種不同的丁壩布置條件下，相比丁壩1、丁壩3，丁壩2壩頭處底層流速較小。在不設(shè)置丁壩群條件下，渠道內(nèi)流速0.449m/s，布置丁壩后，3種丁壩布置形式下丁壩1壩頭流速分別增加到了 0.583，0.554，0.576m/s，流速增加較為明顯。下挑布置條件下丁壩1上、下層流速基本一致，對(duì)水流流態(tài)改變較小，但較上挑和正挑丁壩兩種布置形式，流速增加較為明顯，較其他兩種丁壩布置形式，上、下層流速差距較?。徽舳紊?、下層流態(tài)較復(fù)雜，丁壩1上下層流速分別0.513m/s和0.554m/s，相差-0.041m/s，丁壩2底層流速小于表層流速，丁壩3底層流速大于表層流速，丁壩2、丁壩3底層和表層流速分別相差-0.122m/s、0.081m/s；上挑布置形式，丁壩1處底層流速小于表層流速，丁壩2、丁壩3處流速底層流速都大于表層流速。

4 結(jié)語

本文結(jié)合關(guān)于丁壩近體流態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究，數(shù)值模擬了3種布置形式（上挑、正挑和下挑）下丁壩附近的水流流態(tài)，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，比較了各壩頭處底、表層流速的變化。研究表明丁壩布置形式對(duì)壩后回流的強(qiáng)度、尺寸都有一定影響。下挑丁壩有利于控導(dǎo)水流，對(duì)水流流態(tài)改變較小，但壩頭處流速增加較大，需做好壩頭的維護(hù)工作；正挑或上挑的丁壩有利于促使泥沙在壩襠之間快速落淤，掩護(hù)河岸或海塘工程不直接遭受水流沖刷，同時(shí)有利于集中水流，壅高水位。模擬結(jié)果對(duì)丁壩的合理布置以及壩址周圍河底、堤防的維護(hù)具有指導(dǎo)意義。

［1］孔祥柏.丁壩對(duì)水流影響的試驗(yàn)研究［J］.水利水運(yùn)科學(xué)研究，1983（2）:67-77.

［2］彭靜，玉井信行，河原能久.丁壩壩頭沖淤的三維數(shù)值模擬［J］.泥沙研究 2002，（1）:24-29.

［3］周陽(yáng)，郭維東，梁 岳，等.非淹沒丁壩附近水流流態(tài)［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2006（7）:82-84.

［4］彭靜.丁壩水流及沖刷［M］.鄭州：黃河水利出版社，2004.

［5］童朝鋒.分汊口水沙運(yùn)動(dòng)特征及三維水流數(shù)學(xué)模型應(yīng)用研究［D］.南京:河海大學(xué)，2005.