基于流動被動控制的仿生丁壩結(jié)構(gòu)分析

徐 鵬，陳 陽，謝 鋒，李東風(fēng)，張向前，舒 展，李澤挺

(浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

丁壩是一端依托河岸，另一端伸入河中的一種長條形水工建筑物，一般由壩頭、壩身和壩根三個部分組成。當(dāng)水流在流經(jīng)彎道時，由于重力和離心力的共同作用，會形成橫向環(huán)流，加劇泥沙在凹岸的運輸，使得凹岸被不斷沖刷。丁壩的作用就是保護堤岸，減輕水流對凹岸的沖刷，通過壩身將本該流向堤岸的水流導(dǎo)離壩頭，降低岸邊的流速，產(chǎn)生壩田淤積，達(dá)到保護堤岸的目的。

丁壩改變了彎道內(nèi)的橫向水流，使其一部分形成主流，另一部分形成回流，打破了彎道內(nèi)產(chǎn)生的橫向環(huán)流[1]。在河道中修建丁壩還會使得丁壩周圍的水流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，壩頭處漩渦的產(chǎn)生、分離和衰減，都會使得丁壩附近的水流呈現(xiàn)強烈的三維紊動，壩頭處產(chǎn)生的漩渦還會周期性的脫離壩頭，引起結(jié)構(gòu)的疲勞損傷[2]。李子龍[3]通過三維數(shù)值模擬對非淹沒式丁壩進行了研究，得出丁壩壩根處的沖刷是造成丁壩水毀的主要原因。

傳統(tǒng)丁壩壩體結(jié)構(gòu)簡單，消能效果差[4]，本文基于對非淹沒式丁壩頭部流動特征的分析，根據(jù)流動被動控制理論引入一種新型的丁壩，在丁壩前端增加仿生式渦流發(fā)生器，渦流發(fā)生器尾部誘導(dǎo)的旋渦增強了邊界層內(nèi)水流的能量[5],促使邊界層內(nèi)的水流擁有足夠的能量繼續(xù)附著在丁壩表面，從而減少周期性旋渦的產(chǎn)生。

1 丁壩壩頭沖刷機理分析

根據(jù)勾兆莉[6]等人對丁壩壩頭沖刷機理的分析，丁壩在修建后，將會引起壩頭附近單寬流量集中，導(dǎo)致該處水流沖刷力的加強。水流繞流經(jīng)過壩頭會使流速重新分布，是導(dǎo)致壩頭急劇沖刷的另一個重要原因。這些原因互相聯(lián)系，構(gòu)成了壩頭沖刷的復(fù)雜性。試驗發(fā)現(xiàn)，水流在丁壩壩頭上游受阻后，使壩頭出現(xiàn)水流下降的趨勢，形成緊貼壩頭的下沉水流，加強了水流的沖刷能力。從壩頭沖刷機理分析可知，壩頭的水流結(jié)構(gòu)以及下沉水流等決定著壩頭的沖刷深度，研究合理的壩頭型式，使沖刷深度和范圍減至最小，具有重要的工程意義。

根據(jù)分析和試驗研究，當(dāng)改變壩頭幾何體型時，確實存在各種沖坑形狀，這些形狀不同的沖坑可分為兩種情況，沖坑Ⅰ為近深遠(yuǎn)淺型，沖坑Ⅱ為近淺遠(yuǎn)深型[7]。根據(jù)邊界層分離理論，水流無法克服丁壩表面的粘滯阻力繼續(xù)前進被迫離開壩頭表面進入主流。下游液體填補邊界層空出的區(qū)域，形成漩渦，進而對丁壩壩頭位置形成沖刷，形成沖坑Ⅰ，水流克服大部分粘滯阻力，延后產(chǎn)生分離，形成沖坑Ⅱ。當(dāng)沖刷穩(wěn)定時，第一種沖坑情況比第二種沖坑情況更加不利(見圖1)。壩頭不同的幾何形體直接決定著壩頭大尺度渦的生成和發(fā)展運動規(guī)律。以往文獻(xiàn)中也曾多次提到壩頭水流結(jié)構(gòu)的強烈程度，直接影響到?jīng)_刷坑的形狀、大小和沖刷深度。

圖1 壩頭沖坑形態(tài)

2 丁壩消渦結(jié)構(gòu)原理分析

2.1 被動流動控制

被動控制是沒有消耗輔助能量的一種流動控制方式。這種控制技術(shù)通過改變流動邊界條件、壓強梯度等達(dá)到控制流動的目的，主要采用調(diào)節(jié)優(yōu)化幾何型面來實現(xiàn)，如在物體表面使用固體渦旋發(fā)生器、在分離點上游物體表面加工一系列橫向或縱向溝槽、在物體表面布置粗糙單元等方法來減少或抑制流動分離。

2.2 應(yīng)用于丁壩的仿生消渦裝置

仿生學(xué)一直以來都是各個領(lǐng)域的前沿技術(shù)，在流動被動控制方面也早有應(yīng)用，例如趙汝云[8]運用魚鱗片形態(tài)，在機翼表面施加仿魚鱗排列的結(jié)構(gòu)(見圖2)，試驗研究了鱗片形態(tài)對阻力的影響。試驗結(jié)果顯示在巡航狀態(tài)迎角3°～4°下它們都有程度不同的減少阻力和增加升阻比的效果。其中以3號機翼最突出，減阻和升阻比的增加量都在30%左右(見表1)。特別是在大迎角(12°)時，基本翼型已分離，仿鱗片翼面仍有較好效果，顯示了仿魚鱗面有較好的控制分離能力。

圖2 仿魚鱗表面的機翼

表1 仿魚鱗機翼減阻效果

鯊魚皮膚上覆蓋著成千上萬的小鱗片或小齒，這些鱗狀物隨鯊魚身體位置的不同，形狀和大小也不同，具有非常優(yōu)異的流動力學(xué)性能。然而，目前大多數(shù)研究集中在鱗狀物的減阻性能上，對于水利工程領(lǐng)域應(yīng)用很少。丁壩是河道整治中常用的護岸建筑物，但是目前丁壩壩頭損毀和沖刷坑的危害一直尚待解決，如何降低壩頭沖刷危害就成了目前水利工程領(lǐng)域的一個研究方向?；谶@方面需求結(jié)合仿生學(xué)與流動控制理論，分析一種新型丁壩結(jié)構(gòu)。

所取鯊魚鱗片為3尖3嵴型(3-points and 3-keels pattern), 圖3所示為低阻性鯊魚皮單個鱗片結(jié)構(gòu)及其排列模型。其顯著特征是:①鱗片呈盾狀(又稱盾鱗),其鱗棘具有鋒利尖頂和圓弧底溝槽。②鱗棘的中心脊高度一般低于30 μm,溝槽寬度<100 μm。③盾鱗順流向呈覆瓦狀排列,相鄰鱗片間存在波浪形不規(guī)則夾縫。[9-10]

圖3 鯊魚皮鱗片結(jié)構(gòu)及其排列模型

實驗效果通過軟件分析仿生鯊魚鱗片消渦模型在壩頭位置處改變水流的流動情況。軟件模型計算設(shè)置五級網(wǎng)格，在壩頭位置網(wǎng)格設(shè)置尺寸為0.2，河寬設(shè)置為210 m，壩前水流長度為240 m，壩后水流為260 m，分析結(jié)果(見圖4)。

圖4 普通丁壩(左)和增加仿生消渦裝置模型丁壩(右)壩頭水流情況

圖4可以看到增加仿生消渦裝置的丁壩在壩頭處的最高流速與普通丁壩壩頭處的水流流速相對比有明顯的降低，另外對于壩頭沖刷效果根據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》里面對于非淹沒丁壩沖刷深度的計算方法按下列公式計算：

(1)

(2)

k3=e-0.07m

(3)

(4)

(5)

式中：hs—沖刷深度；Um—壩頭最大流速；

U—行進流速；LD—丁壩的有效長度；

B—河寬；Uc—泥沙起動流速；

d50—床沙的中值粒徑；H0—行進水流水深；

γs—泥沙的容重；γ—水的容重；

m—丁壩壩頭坡率；

k1、k2、k3—丁壩與水流方向的交角θ、守護段的平面形態(tài)及丁壩壩頭的坡比對沖刷深度影響的修正系數(shù)。位于彎曲河段凹岸的單丁壩，k2=1.34;位于過渡段或順直段的單丁壩，k2=1.00。

河流泥沙粒徑采用楊迎曉[11]等人的研究成果取中值粒徑為0.037 mm，通過數(shù)值模擬試驗對比分析，得到在不同時間段下傳統(tǒng)非潛水丁壩和添加仿生裝置的非潛水丁壩的數(shù)據(jù)(見表2)。

表2 非潛水丁壩對比試驗數(shù)據(jù)記錄

在丁壩壩頭增加預(yù)制仿生消渦裝置，水流流過仿生消渦裝置后產(chǎn)生類似翼尖渦的效果，這種高能量的翼尖渦與其下游的低能量邊界層流動混合后，就把能量傳遞給了邊界層，使處于逆壓梯度中的邊界層流場獲得附加能量后能夠繼續(xù)貼附在壩頭表面而不致分離，從而降低邊界層分離對壩頭沖刷的影響。通過數(shù)據(jù)可以看出將仿生消渦裝置應(yīng)用在丁壩表面，具有很好的防沖刷效果。

3 結(jié) 語

(1)研究表明，在傳統(tǒng)丁壩上增加仿生消渦裝置能明顯減少丁壩壩頭沖刷坑深度，以達(dá)到其保護壩頭，減弱沖刷破壞，延長丁壩使用壽命的作用。

(2)通過對數(shù)值模擬試驗數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，添加仿生消渦裝置的丁壩在運行過程中能發(fā)揮其控制漩渦分離的作用，經(jīng)過溝槽減阻，降低壩頭處水的流速。

(3)通過在丁壩壩頭加裝渦流發(fā)生器，結(jié)合仿生學(xué)和空氣動力學(xué)理論，為今后丁壩的研究提供了一個嶄新的思路。

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