透空潛壩附近水流特性的數(shù)值模擬

歐陽(yáng)澍，劉成林, 2，程永舟，王文森，王小明， 4

(1. 南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院， 江西南昌 330031； 2. 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南長(zhǎng)沙410114； 3. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院， 湖南長(zhǎng)沙 410114； 4. 長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 湖北武漢 430011)

河道整治工程中，丁壩是常用的水工建筑物。對(duì)于丁壩結(jié)構(gòu)周?chē)乃魈匦?，?guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的工作[1- 8]。傳統(tǒng)丁壩具有一定的局限性，影響河段的流態(tài)和自然環(huán)境，造成大量不必要的損失。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，新型透水潛壩日益成為專(zhuān)家學(xué)者研究的重點(diǎn)。潛壩是保護(hù)河岸免受沖蝕，維護(hù)河相穩(wěn)定的常見(jiàn)河道整治工程建筑物，透水潛壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)既能滿足航道整治的需求，又對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響較小。李若華等[9- 10]發(fā)現(xiàn)四面六邊透水框架和框架群能有效減小水體紊動(dòng)動(dòng)能，進(jìn)而達(dá)到防沖促淤的效果。王普慶[11]通過(guò)水槽試驗(yàn)研究了透水率、來(lái)流夾角對(duì)透水樁壩整治效果的影響。劉國(guó)起[12]利用數(shù)值模擬結(jié)合理論機(jī)理分析的方法重點(diǎn)研究了透水率、壩長(zhǎng)、挑角、流速等因素對(duì)水力插板式透水丁壩周?chē)魈匦缘挠绊憽垶榈萚13]通過(guò)模型試驗(yàn)分析不同透水性結(jié)構(gòu)對(duì)水流特性及泥沙運(yùn)動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)合適尺寸的三角網(wǎng)可顯著改變水流結(jié)構(gòu)，阻水消能及促淤效果顯著。劉明洋等[14]通過(guò)數(shù)值計(jì)算模擬研究流量對(duì)生態(tài)丁壩附近流場(chǎng)特征。Yossef等[15]通過(guò)定床水槽試驗(yàn)研究潛壩附近的流場(chǎng)、渦量和紊動(dòng)能等三維水流特性。王小明等[16]基于OpenFOAM對(duì)梯形透水潛壩的三維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了透空率和流量對(duì)透水潛壩周?chē)S水流特性的影響規(guī)律。顧杰等[17]采用超聲波水位和 PIV流速測(cè)量技術(shù)，在U形水槽中試驗(yàn)研究了不同水力坡度下淹沒(méi)單丁壩對(duì)水流的影響。

綜上所述，目前對(duì)于透水潛壩的研究?jī)H局限于壩體結(jié)構(gòu)周?chē)乃鹘Y(jié)構(gòu)以及沖淤規(guī)律，學(xué)者們對(duì)于透空潛壩附近水流特性的影響因素認(rèn)識(shí)不夠深刻，不同因素下透空潛壩附近水流特性變化較為復(fù)雜，本文基于Flow3D數(shù)值模擬不同水流條件下透空潛壩附近的三維流場(chǎng)、渦量和紊動(dòng)強(qiáng)度。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析不同透空率、水深和流速情況下潛壩附近水動(dòng)力特性變化規(guī)律，為透水潛壩的應(yīng)用研究提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 數(shù)值模型的建立

基于N-S方程和不可壓縮氣液兩相流理論建立三維數(shù)值水槽，計(jì)算網(wǎng)格利用Flow3D獨(dú)有的FAVOR網(wǎng)格處理技術(shù)進(jìn)行解析。方程求解采用SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)流體速度解耦，時(shí)間離散采用Euler格式。自由液面模擬采用流體體積法(VOF)精準(zhǔn)捕捉自由面而實(shí)現(xiàn)。數(shù)值水槽長(zhǎng)16 m，寬0.4 m，高0.5 m，試驗(yàn)水深0.15～0.35 m。水槽底部及邊壁和透空潛壩表面為固壁無(wú)滑移邊界。兩側(cè)面采用對(duì)稱(chēng)邊界，通過(guò)簡(jiǎn)化模型將網(wǎng)格數(shù)降低到原來(lái)的一半，而在后處理時(shí)利用模型對(duì)稱(chēng)性還原整體模擬結(jié)果。入水口采用固定流速，出水口設(shè)置為固定水深恒壓自然出流。數(shù)值模型整體采用分區(qū)多塊漸變式網(wǎng)格。考慮到水流為恒定單向流，數(shù)值水槽采用求解精度較高的邊長(zhǎng)小于1 cm的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。而對(duì)透空潛壩復(fù)雜結(jié)構(gòu)附近則采用網(wǎng)格劃分工具以邊長(zhǎng)為5 mm的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行加密填充。同時(shí)潛壩表面設(shè)置邊界層網(wǎng)格，以保證其附近流場(chǎng)求解的精確性。為保證數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性，潛壩附近至水槽其他區(qū)域網(wǎng)格密度漸進(jìn)變化。數(shù)值水槽上邊界恒定來(lái)流、下邊界恒壓出流，壩前附近的斷面平均流速為控制條件。數(shù)值模型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1，數(shù)值水槽參數(shù)及工況設(shè)置見(jiàn)表1。

圖1 數(shù)值模型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格圖

數(shù)值水槽透水潛壩流量/(m3·h-1)水深H/m平均流速V/(m·s-1)透空率開(kāi)孔直徑/mm開(kāi)孔個(gè)數(shù)/個(gè)0.0900.150.0120.200.0150.250.0180.300.150.1517/23前23后210.0080.0120.0160.0200.0240.200.100.150.200.250.300.1517/23前23后210.0120.200.150.1014/170.1517/230.2020/170.2522/27前23后21

1.2 數(shù)值模型的驗(yàn)證

圖2 水槽中軸線上各點(diǎn)垂向流速驗(yàn)證結(jié)果(P=0.15，H=0.2 m，V=0.15 m/s)Fig.2 Verification of vertical velocity at each point on central axis of flume (P=0.15，H=0.2 m，V=0.15 m/s)

驗(yàn)證試驗(yàn)在長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利實(shí)驗(yàn)中心PIV專(zhuān)用水槽中進(jìn)行。水槽長(zhǎng)16 m，寬0.4 m，高0.5 m，試驗(yàn)水深0.15～0.35 m。水槽造流由計(jì)算機(jī)控制流量變化，水槽尾部設(shè)置格柵尾門(mén)以調(diào)節(jié)水位。流速測(cè)量采用Son Tek公司的超聲多普勒流速儀進(jìn)行。水槽采用水泵供水，梯形透空式潛壩采用透明有機(jī)玻璃制成，長(zhǎng)B=0.4 m，高h(yuǎn)=0.1 cm，底寬b=0.1 cm。流場(chǎng)測(cè)試采用美國(guó)TSI公司的PIV系統(tǒng)，其中光源為雙脈沖激光，采用強(qiáng)激光(約為120 mJ) 以保證所測(cè)區(qū)域被均勻照亮。驗(yàn)證試驗(yàn)選取長(zhǎng)0.4 m、高0.1 m、透空率為0.15的模型在水深0.2 m、流速0.15 m/s的工況條件下進(jìn)行。通過(guò)對(duì)比PIV專(zhuān)用水槽水流試驗(yàn)段壩前、壩上和壩后3個(gè)位置的垂線流速分布，得到垂線流速分布驗(yàn)證結(jié)果。根據(jù)圖2驗(yàn)證結(jié)果圖可知，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與PIV水槽試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，誤差在合理范圍內(nèi)。這證明該數(shù)值模型可以很好地模擬梯形透空式潛壩附近的水流特性。

2 結(jié)果分析

2.1 透空率對(duì)梯形透空式潛壩周?chē)魈匦杂绊?/h3>

以水深0.2 m、斷面平均流速0.15 m/s作為來(lái)水設(shè)置條件，同時(shí)以0.10，0.15，0.20，0.25共4種不同透空率潛壩結(jié)構(gòu)作為潛壩模型。不同透空率周?chē)⒚媪鲌?chǎng)特性分布情況如圖3，壩頂上部流速相較于其他地方有所增大，壩頂上方區(qū)域內(nèi)有明顯的壩后水域急流。在透水潛壩周?chē)诿姹Ｗo(hù)作用下，壩體腔內(nèi)和壩后7倍壩高范圍內(nèi)水域水流均較為平緩。壩頂右上方產(chǎn)生渦旋，并伴隨著回流現(xiàn)象。隨著透空率的增大，壩頂右上方渦旋強(qiáng)度減小，回流減弱。但透空率增大伴隨著壩體的流量增大，壩后底部回流受到影響，上升流減弱。壩前水流平順，腔內(nèi)整體水流比較平緩。可以看出相同水流條件下，透空率變化對(duì)壩后水域流速影響范圍變化較小。

由圖4紊動(dòng)能圖可知，隨著透空率增大，壩前紊動(dòng)強(qiáng)度變化不大，隨著潛壩透空率逐漸增大，壩后根部高紊動(dòng)區(qū)強(qiáng)度逐漸增大。而壩后1～4倍壩高范圍內(nèi)紊動(dòng)強(qiáng)度逐漸減小。前者是因?yàn)閴误w透水能力增強(qiáng)后透水圓孔附近流速增大，與壩后緩流區(qū)水體摻混作用加劇而造成。而后者是由于潛壩透空率越大通過(guò)壩身的水流量也越大，在總流量恒定的前提下，壩上過(guò)流隨之逐漸減小。結(jié)合流場(chǎng)分布圖來(lái)分析這一現(xiàn)象會(huì)發(fā)現(xiàn)，壩后緩流區(qū)底部回流流速逐漸減小，上升流強(qiáng)度減弱，上升流與壩頂水流的摻混作用減弱。這也正是造成壩后上部流區(qū)紊動(dòng)強(qiáng)度隨透空率增大而逐漸減小的原因。同時(shí)強(qiáng)紊動(dòng)集中區(qū)剛好處于急流區(qū)與壩后緩流區(qū)分界線附近，分界線兩側(cè)流速差較大，中間區(qū)域水體交換劇烈，紊動(dòng)作用加強(qiáng)。

圖3 不同透空率透水潛壩周?chē)⒚媪魉賵?chǎng)圖(H=0.2 m，V=0.15 m/s)

圖4 不同透空率透水潛壩周?chē)蓜?dòng)能立面圖(H=0.2 m，V=0.15 m/s)(單位：J)

由圖5渦量圖可知，梯形透水潛壩附近渦量分布較強(qiáng)的位置主要是壩體頂側(cè)和透水圓孔附近。隨著透空率增大，即壩體前后面板透水圓孔孔徑增大，這兩個(gè)位置渦量分布強(qiáng)度先增后減，影響范圍變化不大。另外可以看到壩后較大渦量的位置分布和流速一致。值得一提的是正負(fù)渦量間隔分布的特點(diǎn)形成了壩后水域流場(chǎng)紊動(dòng)的動(dòng)力源。促使水體通過(guò)潛壩后與壩后上部急流形成摻混紊動(dòng)作用，能量迅速耗散。同時(shí)透過(guò)壩體流量越來(lái)越大，壩后上升流強(qiáng)度在這樣的摻混紊動(dòng)作用下也越來(lái)越弱，高度逐漸減小。而壩體腔內(nèi)，除在中部和透水圓孔附近水域渦量較大外，腔內(nèi)水體總體均較平緩。

圖5 不同透空率透水潛壩周?chē)鷾u量立面圖(H=0.2 m，V=0.15 m/s)(單位：s-1)

2.2 水深對(duì)梯形透空式潛壩周?chē)魈匦杂绊?/h3>

為研究水深的變化對(duì)透水潛壩周?chē)畡?dòng)力特性的影響，通過(guò)保證相同的潛壩模型結(jié)構(gòu)和斷面平均流速，改變水深來(lái)對(duì)比研究流場(chǎng)分布情況。不同水深條件下的三維水流特性分布見(jiàn)圖6。壩后水域急流主要集中在上部流區(qū)。而壩體腔內(nèi)及壩后約0.8 m范圍內(nèi)，水流均較為平緩。隨著壩前遠(yuǎn)端水深增大，壩體腔內(nèi)水流流速逐漸減小，腔內(nèi)水域更加平緩。這是由于除了透水潛壩周?chē)诿姹Ｗo(hù)作用外，隨著水深逐漸增大壩上流量隨之增大。透壩水體經(jīng)過(guò)壩體時(shí)受到壩后水體的阻滯作用在壩體腔內(nèi)流速放緩。同時(shí)，壩前流速增大，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，斷面面積縮窄，水位降低形成水跌。但水跌高度會(huì)隨著水深的增大而逐漸減小。這時(shí)上部急流區(qū)、壩后上升流及底部回流等共同作用下形成了壩后漩渦回流現(xiàn)象。但隨著水深增大，透水率逐漸減小。這是由于斷面平均流速不變的前提下，水深增大，總流量增大，而透過(guò)壩身的流量變化不大，透水率自然越來(lái)越小。這時(shí)壩后底部回流變化也不大。

圖6 不同水深條件下透水潛壩周?chē)⒚媪魉賵?chǎng)圖(P=0.15，V=0.15 m/s)

由圖7可以看出水深的變化對(duì)于壩前紊動(dòng)強(qiáng)度影響不大。由于壩頂上游側(cè)端部對(duì)水流的頂托與壩體透水孔的過(guò)流共同作用下，在壩后透水圓口邊緣和1～4倍壩高范圍內(nèi)形成一個(gè)高紊動(dòng)強(qiáng)度集中區(qū)。隨著水深逐漸增大，潛壩附近高紊動(dòng)區(qū)強(qiáng)度整體逐漸減小，但影響范圍變化不大。前者是因?yàn)樗钤龃蠛螅瑵搲芜^(guò)流流量變化不大，但由于壩后水位較高，透水圓孔附近流體受阻，流速減小上升流減弱。隨之透壩水流與上部高速流區(qū)的摻混紊動(dòng)作用減弱。而后者是由于整個(gè)斷面平均流速在水深增大的過(guò)程中并沒(méi)有改變。即過(guò)壩水流在斷面平均流速恒定的前提下，透壩水流量變化不大，流場(chǎng)狀態(tài)變化不大，壩體腔內(nèi)及附近紊動(dòng)能影響范圍變化不大。在水深逐漸增大的過(guò)程中，由于透水率越來(lái)越小，即透壩水流量所占比例越來(lái)越小。于是透壩水流與翻壩水流在壩后的摻混作用減弱。這也正是造成壩后上部流區(qū)紊動(dòng)強(qiáng)度隨水深增大而逐漸減小的原因。

由圖8渦量圖可知，梯形透水潛壩頂側(cè)和透水圓孔附近渦量分布較強(qiáng)。隨著水深增大，壩頂強(qiáng)渦量區(qū)面積逐漸減小。因?yàn)樗钤龃鬂搲螇紊狭髁恐饾u增大，相對(duì)流速減小，水流翻過(guò)壩頂時(shí)和潛壩之間的相互作用減弱，影響范圍就隨之減小。正負(fù)渦量間隔分布，這是渦旋形成的主要?jiǎng)恿σ蛩?，形成了壩后水域流?chǎng)紊動(dòng)的動(dòng)力源，促使水體通過(guò)潛壩后與壩后上部急流形成摻混紊動(dòng)作用，能量迅速耗散。另外可以看到壩后較大渦量的位置分布和流速場(chǎng)一致。同時(shí)透過(guò)壩體的相對(duì)流量越來(lái)越小，壩后上升流與上部急流區(qū)之間的摻混紊動(dòng)作用也越來(lái)越弱，紊動(dòng)強(qiáng)度逐漸減小。而壩體腔內(nèi)，除在中部和透水圓孔附近水域渦量較大外，腔內(nèi)水體總體均較平緩。

圖7 不同水深條件下透水潛壩周?chē)蓜?dòng)能立面圖(P=0.15，V=0.15 m/s)(單位：J)

圖8 不同水深條件下透水潛壩周?chē)鷾u量立面圖(P=0.15，V=0.15 m/s)(單位：s-1)

2.3 斷面平均流速對(duì)梯形透空式潛壩周?chē)魈匦杂绊?/h3>

以梯形透水潛壩透空率為0.15，壩前遠(yuǎn)端水深0.15 m作為試驗(yàn)條件，同時(shí)以0.10，0.15，0.20和0.25 m/s共4種不同斷面平均流速作為來(lái)水設(shè)置條件。不同斷面平均流速條件下的三維水流特性分布情況如圖9，該水域范圍內(nèi)渦旋回流現(xiàn)象顯著，強(qiáng)度隨斷面平均流速的增大而增大。這是由于隨著斷面平均流速增大，透空率不變的條件下，翻壩水流流速整體增大。而翻壩水流又主要分布在壩后表層水流中。這樣的水流形態(tài)形成了穩(wěn)定的上升流。同時(shí)作為補(bǔ)充上升流所占空間，潛壩壩后底部又會(huì)形成穩(wěn)定回流流速。隨著壩上流速越來(lái)越大，壩后回流流速也逐漸增大。但隨著斷面平均流速增大，在流量一定的前提條件下，水面線形成的水跌高度也逐漸增大。壩前水流相對(duì)較為平順，壩體腔內(nèi)除透水孔附近流速較大外，腔內(nèi)整體水流比較平緩?？梢钥闯鱿嗤缚章蕽搲文Ｐ?，隨著斷面平均流速變化，在壩后0.6～0.8 m范圍內(nèi)的底部流區(qū)形成的“條帶狀”緩流區(qū)域范圍變化不大。但斷面平均流速的變化對(duì)壩體透水率影響不大。

圖9 不同斷面平均流速條件下透水潛壩周?chē)⒚媪鲌?chǎng)圖(P=0.15, H=0.20 m)

由圖10可以看出斷面平均流速的變化對(duì)壩前紊動(dòng)強(qiáng)度影響不大。紊動(dòng)強(qiáng)度較大的區(qū)域主要是壩體腔內(nèi)透水圓孔附近及壩后1～4倍壩高范圍內(nèi)上部流區(qū)形成的高紊動(dòng)強(qiáng)度集中區(qū)?？梢钥闯鲭S著斷面平均流速逐漸增大，潛壩附近高紊動(dòng)區(qū)紊動(dòng)強(qiáng)度整體逐漸增大，但影響范圍變化不大。前者是因?yàn)閿嗝嫫骄魉僭龃蠛?，潛壩過(guò)流流量增大，相同透空率的透水潛壩結(jié)構(gòu)與水流之間的相互作用更加劇烈，紊動(dòng)能強(qiáng)度更大。而后者是由于斷面平均流速在增大的過(guò)程中，潛壩本身的透水率基本沒(méi)有改變。即對(duì)于相同的透空率潛壩結(jié)構(gòu)，相同壩前遠(yuǎn)端水深條件下，潛壩本身透水率變化不大。壩上翻壩水流量與透壩水流量的比例變化不大，壩體附近流場(chǎng)流態(tài)及紊動(dòng)能分布范圍變化不大。

圖10 不同斷面平均流速條件下透水潛壩周?chē)蓜?dòng)能立面圖(P=0.15, H=0.2 m)(單位：J)

由圖11渦量圖可知，隨著斷面平均流速增大，壩體頂側(cè)和透水圓孔附近渦量分布強(qiáng)度逐漸增大，影響范圍變化不大。另外可以看到壩后較大渦量的位置分布和流速一致。正負(fù)渦量間隔分布的特點(diǎn)形成了壩后水域流場(chǎng)紊動(dòng)的動(dòng)力源。促使水體通過(guò)潛壩后與上部急流形成摻混紊動(dòng)作用，能量迅速耗散。總體來(lái)說(shuō)，渦量強(qiáng)度較大的位置主要分布在潛壩前后透水孔附近及壩頂端上游側(cè)到壩后下游范圍內(nèi)。

圖11 不同斷面平均流速條件下透水潛壩周?chē)鷾u量立面圖(P=0.15, H=0.20 m)(單位：s-1)

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)Flow3d數(shù)值模擬計(jì)算明渠水槽中透水潛壩周?chē)牧魉賵?chǎng)、紊動(dòng)能、渦量等的分布情況，得到潛壩透空率、水深及斷面平均流速等因素對(duì)其水動(dòng)力特性的影響。

(1) 相同水流條件下，潛壩透空率的變化對(duì)壩后緩流區(qū)范圍影響不大。但壩后回流流速隨透空率增大而逐漸減小且回流區(qū)域位置沿順?biāo)鞣较蛳乱?。隨著潛壩透空率逐漸增大，壩后根部紊動(dòng)強(qiáng)度逐漸增大，而壩后1～4倍壩高范圍內(nèi)紊動(dòng)強(qiáng)度逐漸減小，渦量先增后減。

(2) 同一透空率潛壩，在相同斷面平均流速條件下隨著水深增大，腔內(nèi)水流流速逐漸減小，水流更加平緩。而壩上流速隨之增大，透水率逐漸減小。當(dāng)水深增大，潛壩附近紊動(dòng)強(qiáng)度整體減小，但紊動(dòng)范圍變化不大，壩頂強(qiáng)渦量區(qū)面積也在減小。

(3) 同一透空率潛壩，在相同水深條件下隨著斷面平均流速增大壩體腔內(nèi)及壩后約4倍壩高范圍內(nèi)，渦旋回流強(qiáng)度逐漸增大，潛壩附近高紊動(dòng)區(qū)紊動(dòng)強(qiáng)度整體變大，但影響范圍變化不大。另外壩體頂側(cè)和透水圓孔附近正負(fù)渦量間隔分布，強(qiáng)度逐漸增大。