斷面寬高比對彎道水流水力特性影響分析

張立群

(朝陽縣凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 朝陽 122004)

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斷面寬高比對彎道水流水力特性影響分析

張立群

(朝陽縣凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 朝陽 122004)

采用聲學(xué)多普勒流速儀及CCD攝像機水流運動捕捉技術(shù)對不同斷面寬高比的彎道水流水力特性進(jìn)行了試驗研究，得到不同工況下的彎道水流流量與水流的分布情況，總結(jié)了寬高比對彎道水流水力特性的影響規(guī)律，證明斷面寬高比基本不影響彎道水流的基本水力分布形態(tài)，但對其量化程度影響明顯，而各個位置處按受影響程度大小可排序為：彎道中部，彎道中后部，彎道入口處，彎道尾部。

寬高比；彎道水流；水力特性；試驗；影響分析

1　概　述

自然界的河流大多為彎曲河流，其河流水力特性的研究有許多方面的應(yīng)用，如引水防沙、岸灘保護(hù)、取水口位置的設(shè)計安排等。目前國內(nèi)外對彎道水流的研究已經(jīng)很深入，例如郭維東等人研究了丁壩對彎道水流紊動強度的影響，閆曉惠等人分析了取水口位置對彎道水流流速分布的影響等。這些研究對實際工程設(shè)計、尤其是工程優(yōu)化設(shè)計做出了重要的貢獻(xiàn)，但在許多方面還存在提高的空間，例如很少有人詳細(xì)分析過斷面寬高比對彎道水流水力特性的影響。

因此，本文采用彎曲水槽為試驗?zāi)Ｐ?，通過改變水深的方式來改變水體斷面寬高比(主要指入水口處寬高比、即河道平均寬高比)，并采用聲學(xué)多普勒流速儀及CCD攝像機水流運動捕捉技術(shù)對不同工況下的水流進(jìn)行觀測，得到了不同寬高比工況下的水力特性，從而詳細(xì)分析出斷面寬高比對彎道水力特性的影響,為更為精細(xì)地、科學(xué)地解決彎道水流相關(guān)工程問題提供了理論參考。

2　方　法

試驗主要在有機玻璃水槽中進(jìn)行。試驗水槽主要由3部分組成：入口直段、彎道段、出口直段。其中心線總長18 m，其中入口直段場12 m，出口直段場2.2 m，曲率半徑為135°，曲率半徑與底寬比為1.5。水槽底部鋪上細(xì)沙以模擬河道中的泥沙，細(xì)沙的平均直徑為0.7 mm。試驗皆在清水沖刷條件下進(jìn)行，即入口河床摩擦速度小于臨界河床摩擦速度。共進(jìn)行四組不同工況的實驗，它們底寬保持不變，通過改變水深來改變斷面寬高比[1]。表1為具體的試驗工況及參數(shù)。

表1　試驗工況及參數(shù)

采用Nortek聲學(xué)多普勒流速儀對四組試驗進(jìn)行測量。該儀器對于1 mm/s流速的誤差范圍為0.5%。 每個流速儀測量四個流速分量，分別是x方向速度分量，y方向速度分量，z方向速度分量，以及第二個z方向速度分量以計算誤差。所有流速的測量都以水槽墻壁為參照物，其測量頻率為200Hz。儀器探針的安置經(jīng)過自信的檢驗與調(diào)整，其誤差大約為2°，在計算機后期處理后該誤差得到修正。在水平方向上，每個橫斷面進(jìn)行五組測量，其中心點相隔20 cm。在豎直方向上，測量點位置主要由水深而定，主要測量點有河床以上5,10,20,40,以及70 mm。

此外，水流中加入水流示蹤顆粒，用CCD攝像機對實驗過程進(jìn)行記錄，在計算機后期處理中將所錄圖像用測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而可以拓展觀測點而獲得整個水流面的水力參數(shù)[2]。

3　結(jié)　果

3.1流量

為更好地分析彎道水流中的水流分布情況，繪制標(biāo)準(zhǔn)化的順?biāo)鞣较騿挝涣髁壳闆r于圖1中。圖像幾何布置與試驗布置圖完全相同，其數(shù)據(jù)為工況及時間平均數(shù)據(jù)、即將所有數(shù)據(jù)按時間進(jìn)行平均計算而得，其中1代表單寬流量最大，0代表其流量最小。

圖1　彎道標(biāo)準(zhǔn)化平均單寬流量分布圖

由圖可見，從彎道入口至彎道出口，高流量區(qū)逐漸從彎道內(nèi)側(cè)移動到彎道外側(cè)。在彎道后半程的內(nèi)側(cè)，其流量基本為零，而外側(cè)流量最大。不同寬高比對該基本規(guī)律基本不產(chǎn)生影響。但寬高比可以改變其量化程度。

1)0°位置：在0°位置(即彎道入口處)，寬高比對流量分布的影響非常小，各工況高流量區(qū)與平均高流量區(qū)的位置偏差低于5%。當(dāng)寬高比為5時，高流量區(qū)所在位置略向外圍偏移，且其范圍略有增加；當(dāng)寬高比為6.65時，高流量區(qū)所在位置略向外圍偏移但程度只有大約2%，其范圍的擴大基本可以忽略不計；當(dāng)寬高比為9.1時，高流量區(qū)所在位置相對平均情況略向內(nèi)圍偏移，其范圍的略有縮??；當(dāng)寬高比為12.5時，高流量區(qū)所在位置向內(nèi)圍偏移接近5%，其高流量去范圍有所縮小但比例只有3%。

2)45°位置：在45°位置(即彎道中斷處)，寬高比對流量分布的影響非常大，各工況高流量區(qū)與平均高流量區(qū)的位置偏差可達(dá)到23%。當(dāng)寬高比為5時，高流量區(qū)所在位置向外圍偏移約20%，不同于平均情況，該條件下高流量區(qū)已經(jīng)接觸到外側(cè)墻壁，其高流量區(qū)范圍也同樣有所增加；當(dāng)寬高比為6.65時，高流量區(qū)所在位置依舊向外側(cè)偏移約9%，其范圍的擴大基本相對于前一種工況略有減??；當(dāng)寬高比為9.1時，高流量區(qū)所在位置中點相對平均情況略向內(nèi)側(cè)偏移7%左右，其范圍略有縮小，大約為4%；當(dāng)寬高比為12.5時，高流量區(qū)所在位置向內(nèi)側(cè)大程度偏移且范圍大幅度縮小，相對于平均情況偏移程度可達(dá)到23%、縮小程度可達(dá)7%，在這種情況下，高流量區(qū)中線所在位置只略偏離河道軸線、而無特別明顯的偏向外側(cè)的特征。

3)90°位置：在90°位置(即彎道中后段)，寬高比對流量分布的影響相對較小，各工況高流量區(qū)與平均高流量區(qū)的位置偏差最高可達(dá)11%。當(dāng)寬高比為5時，高流量區(qū)所在位置向外圍偏移約8%，不同于平均情況，該條件下高流量明顯地接近外側(cè)墻壁，其高流量區(qū)范圍也有所增加；當(dāng)寬高比為6.65時，高流量區(qū)所在位置偏移趨勢依然為偏向外側(cè)，其中點相對平均值移動約2.5%，其范圍略有擴大但基本可以忽略不計；當(dāng)寬高比為9.1時，高流量區(qū)所在位置相對平均情況向內(nèi)偏移約4.5%，其范圍有所縮小、相對于平均值的比例大約為2%；當(dāng)寬高比為12.5時，高流量區(qū)所在位置向內(nèi)側(cè)偏移程度可達(dá)5.8%，范圍明顯縮小。

4)135°位置：在135°位置(即彎道出口段)，寬高比對流量分布的影響幾乎可以忽略不計，各工況高流量區(qū)與平均高流量區(qū)的位置偏差低于1%，其范圍變化甚至<0.5%。

3.2流速

圖2為彎道標(biāo)準(zhǔn)化平均流速分布圖，由所有順?biāo)鞣较蛄魉贁?shù)據(jù)按時間進(jìn)行平均計算而得，代表所用工況下的平均水流分布情況，其中1代表最大流速，0代表最小流速。

圖2　彎道標(biāo)準(zhǔn)化平均流速分布圖

由圖2可見，流速在入口處在內(nèi)側(cè)增大，而進(jìn)入彎道后高速度水流主要偏向于外側(cè)，在中后部分水流撞擊墻壁，與尾部逐漸在轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)。其彎道流速分布的特點主要可總結(jié)為：在兩端流速低而中間高，在入口處高流速區(qū)向內(nèi)部偏移，而之后向外側(cè)偏移，在出口后又逐步向內(nèi)側(cè)擴散。不同寬高比對該彎道水流的分布形態(tài)沒有影響，但影響其具體的分布程度。這些結(jié)論類似于流量分布情況，但可以看出其分布相對更加均勻，橫斷面各點之間的流速情況差別不大。

分別取0°,45°,90°以及135°橫截面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在不同工況下流速分布有以下4點規(guī)律：

1)在0°截面，寬高比越大，則高流速水流越偏向右側(cè)。

2)在45°截面，寬高比越大，則高流速水流也越偏向右側(cè)。

3)在90°截面，寬高比越大，則高流速水流越偏向左側(cè)。

4)在135°截面，寬高比越大，則高流速水流明顯偏向左側(cè)。

總體來看，當(dāng)寬高比增大時，彎道水流的特點表現(xiàn)得越早。例如，當(dāng)寬高比為12.5時，45°截面的規(guī)律基本等效于寬高比為5工況下的60°截面分布規(guī)律。此外，在各個截面，當(dāng)寬高比越大時，流速分布也越均勻。

4　分　析

高流量區(qū)從入口到出口由內(nèi)側(cè)向外側(cè)移動，而這種特性基本不會隨著工況的改變而發(fā)生變化，因此可以認(rèn)為該水力特性為彎道水流的基本特性、不受斷面寬高比的影響，但其量化程度卻隨斷面高寬比明顯地變化：在彎道入口處流量分布受寬高比的影響非常小，而在彎道中部受寬高比影響非常大，在中后段受寬高比影響相對較小，而在末端受寬高比的影響基本可以忽略不計；當(dāng)寬高比越大時，高流量區(qū)越偏向內(nèi)側(cè)，高流量區(qū)的范圍越小。

彎道流速分布的特點主要表現(xiàn)在兩端流速低而中間高，在入口處高流速區(qū)向內(nèi)部偏移，而之后向外側(cè)偏移，在出口后又逐步向內(nèi)側(cè)擴散。這種特性也基本不會隨著工況的改變而發(fā)生變化，因此從定性角度分析它不受斷面寬高比的影響，但從定量角度分析該影響則較明顯，而且其影響的程度分布與流量影響情況完全相同，即從入口處到中部影響程度增大，之后影響程度不斷減小，直至忽略不計；當(dāng)寬高比越大時，彎道流的流速特點表現(xiàn)得越早，流速分布也越均勻。

5　總　結(jié)

基于斷面寬高比對彎道水流水力特性影響的試驗研究，可以得到以下5點結(jié)論:

1)高流量區(qū)從入口到出口由內(nèi)側(cè)向外側(cè)移動。

2)彎道流速分布的特點主要表現(xiàn)在兩端流速低而中間高，在入口處高流速區(qū)向內(nèi)部偏移，而之后向外側(cè)偏移，在出口后又逐步向內(nèi)側(cè)擴散。

3)寬高比不改變彎道水流的基本水力規(guī)律，但可以明顯改變其量化值，且影響程度由大到小排列為：彎道中部，彎道中后部，彎道入口處，彎道尾部。

4)當(dāng)寬高比越大時，高流量區(qū)越偏向內(nèi)側(cè)，高流量區(qū)的范圍越小。

5)當(dāng)寬高比越大時，彎道流的流速特點表現(xiàn)得越晚，流速分布也越均勻。

[1]郭維東，周陽，梁岳，馮亞輝.丁壩對彎道水流紊動強度影響的試驗研究[J].水電能源科學(xué),2005(05):70-72.

[2]閆曉惠，陳新.取水口位置對彎道水流流速分布影響的數(shù)值模擬研究[J].甘肅水利水電技術(shù),2015(06):28-30.

1007-7596(2016)05-0043-03

2016-03-17

張立群(1977-)，女，遼寧朝陽人，工程師。

TV131.3

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