丁壩區(qū)的三維流場(chǎng)研究

應(yīng)利濤

摘要：本研究使用三維計(jì)算流體力學(xué)軟件 FLUENT 模擬渠道內(nèi)流經(jīng)兩支丁壩的流況，借由軟件模擬流場(chǎng)特性，了解三維流場(chǎng)分布及渦度分布情形。研究案例依照丁壩長(zhǎng)度、丁壩間距與上游流量不同分為三組。經(jīng)由模擬回歸得到此三項(xiàng)變因與丁壩回流長(zhǎng)度及壩間流速的關(guān)系式，以供后續(xù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M參考。

Abstract： In this study， FLUENT， a three-dimensional computational fluid mechanics software， was used to simulate the flow conditions of two groynes. The case is divided into three groups according to the length， spacing and upstream flow of the groyne. The relationship between the three variable factors and the backflow length and flow velocity of the dam is obtained by simulated regression for reference in subsequent experiments.

關(guān)鍵詞：FLUENT;三維流場(chǎng);丁壩流場(chǎng)

Key words： FLUENT;3D flow field;groyne flow field

中圖分類號(hào)：TV863;TV135? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）26-0218-04

1? 研究目的

在工程應(yīng)用上，丁壩屬于常見(jiàn)的水工結(jié)構(gòu)物，但丁壩附近流場(chǎng)是一紊亂的三維流場(chǎng)，過(guò)去做過(guò)許多研究?jī)H著眼于單一丁壩周圍流場(chǎng)行為，鮮少討論到復(fù)數(shù)丁壩間交互作用情形。因此，本研究利用三維模式FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬，分析丁壩區(qū)間內(nèi)流速與渦度，并探討在不同流況、丁壩長(zhǎng)度、丁壩間距下流速與渦度分布的關(guān)系。

2? 數(shù)值模式與模式驗(yàn)證

2.1 數(shù)值模擬設(shè)定

2.1.1 數(shù)值模擬架構(gòu)

本研究采用流體力學(xué)軟件FLUENT進(jìn)行模擬，數(shù)值模擬主要分為三個(gè)架構(gòu)：①Geometry與mesh為前處理部分，用來(lái)設(shè)計(jì)物理模型、網(wǎng)格建立邊界條件設(shè)定等;②FLUENT為核心處理部分，為模式運(yùn)算核心，進(jìn)行模擬分析運(yùn)算;③CFD-Post為后處理部分，將結(jié)果以數(shù)據(jù)或圖表方式輸出等。

2.1.2 收斂條件

本研究在執(zhí)行計(jì)算機(jī)模擬時(shí)要考慮：①格網(wǎng)點(diǎn)的多寡及間距均勻性與非均勻性;②各項(xiàng)數(shù)值運(yùn)算其值前后誤差小于10-5;③在疊代過(guò)程中，為了避免數(shù)值變化產(chǎn)生發(fā)散或增加其收斂性，須調(diào)整其松弛因子使其低于預(yù)設(shè)值。根據(jù)模擬網(wǎng)格模型不同，每個(gè)計(jì)算時(shí)間間距（Δt）為0.01秒或更小以確保模式穩(wěn)定。本研究在上下游流量誤差低于1%即認(rèn)為已到收斂需求。

2.1.3 網(wǎng)格設(shè)計(jì)

本文在繪制完渠道模型后，首先對(duì)模型打上格網(wǎng)，為加強(qiáng)底床部分模擬的精確性，在底床的位置上特別加密，在丁壩周圍再做局部細(xì)化網(wǎng)格。最后利用歪斜度大小來(lái)判斷網(wǎng)格質(zhì)量好壞，如果網(wǎng)格質(zhì)量太差則進(jìn)行修正補(bǔ)強(qiáng)，歪斜度越大表示網(wǎng)格扭曲程度較強(qiáng)烈，在計(jì)算質(zhì)量上較容易出問(wèn)題，大于0.95模式會(huì)無(wú)法計(jì)算使用，所以要確認(rèn)是否在0.95以下，慢慢修正將網(wǎng)格修至0.90以下。

2.1.4 邊界條件設(shè)定

在計(jì)算流場(chǎng)時(shí)，所有邊界均須給定邊界條件，在本研究中渠道水流由左至右流動(dòng)，分別指定空氣與水兩個(gè)單獨(dú)速度進(jìn)口，由于自由液面會(huì)隨時(shí)間變動(dòng)，所以空氣層的部分讓液面可以上下變動(dòng)。另一方面為了避免上層空氣產(chǎn)生回流產(chǎn)生不穩(wěn)定，所以空氣進(jìn)口速度與水的進(jìn)口速度相同。在計(jì)算上為了避免空氣產(chǎn)生的剪應(yīng)力影響模式運(yùn)算，上部邊界設(shè)定為對(duì)稱邊界，其物理意義為此邊界上法線速度分量及變量的梯度均為零，下游出口采用自由出流，并不另外設(shè)定出口，水與空氣比例，由模式循序運(yùn)算，而其他固體邊界則采用不可滑動(dòng)邊界條件。

2.1.5 自由液面設(shè)定

本研究模擬包含水與空氣，因此采用多相流模式，但上部空氣層厚度對(duì)于整體流場(chǎng)有較大影響，所以在設(shè)定入流時(shí)須將空氣層深度設(shè)定大到足以避免上部邊界壓力效應(yīng)的產(chǎn)生，如空氣層厚度太小，會(huì)使得水流區(qū)域受到上部邊界壓力壓迫使得自由液面模擬產(chǎn)生誤差，當(dāng)起始深度比在1/3或者更大時(shí)，上部邊界效應(yīng)就可不計(jì)。因此，本研究將起始深度設(shè)定比為1，以防止上部邊界效應(yīng)影響。

2.1.6 數(shù)值模擬設(shè)定流程

①前處理部分。

Geometry繪制模型;mesh產(chǎn)生網(wǎng)格;設(shè)定邊界條件;輸出三維網(wǎng)格資料。

②FLUENT部分。

讀入網(wǎng)格。設(shè)置重力加速度，方向?yàn)樨?fù)Z方向，并設(shè)置空氣密度為工作流密度在初始水面上。選擇VOF模塊并指定兩相流。設(shè)定水與空氣的流體材料性質(zhì)。定義多項(xiàng)紊流模型k-ε并選擇近壁面模型增強(qiáng)壁面處理。指定邊界條件。設(shè)定求解參數(shù)，松弛因子采用模式建議范圍為0.2～0.5。設(shè)定初始條件。計(jì)算求解。

③后處理部分。

CFD-Post讀取計(jì)算結(jié)果。結(jié)果后處理。

2.2 實(shí)驗(yàn)配置

2.2.1 Nawachuku

此實(shí)驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)水槽為長(zhǎng)37m、寬0.92m，實(shí)驗(yàn)水深0.03m，渠道底部與兩側(cè)為光滑平面，水槽前端水流入口設(shè)置一蜂巢結(jié)構(gòu)，用于整流使水流能平順進(jìn)入試驗(yàn)段，并將試驗(yàn)鋁板布置在水槽中段右岸，試驗(yàn)鋁板長(zhǎng)15.2cm、寬3cm、高30cm，并利用下游尾水板控制上游水深，使水槽內(nèi)水深不高于實(shí)驗(yàn)鋁板，為一非淹沒(méi)式丁壩模擬。

因Nawachuku實(shí)驗(yàn)水槽長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，故本研究選用丁壩上下游各6m處做為模擬區(qū)段，其他設(shè)置皆與Nawachuku實(shí)驗(yàn)相同，上游平均流速為0.253（m/s），入流水深0.3m，約155000個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，時(shí)間間距為0.05s，運(yùn)算總時(shí)數(shù)120s。

2.2.2 Tominaga et al.

此實(shí)驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)水槽長(zhǎng)8m、寬0.3m，實(shí)驗(yàn)水深0.09m，渠道底部與兩側(cè)為光滑平面，將試驗(yàn)丁壩布置在水槽中段左岸，試驗(yàn)丁壩長(zhǎng)0.15m、寬0.03m、高0.05m，并控制上游水深使水槽內(nèi)水淹沒(méi)實(shí)驗(yàn)丁壩，為一淹沒(méi)式丁壩模擬。本研究模擬范圍與此實(shí)驗(yàn)區(qū)段規(guī)模相同，上游平均流速為0.1（m/s），入流水深0.09m，約125000個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，時(shí)間間距為0.05秒，運(yùn)算總時(shí)間100秒。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證

2.3.1 Nawachuku

在右岸離岸壁y/L=1，1.5，3，4處，從x=0.92m到x=3m測(cè)量水面流速，L為丁壩長(zhǎng)度。檢定結(jié)果誤差如公式，由取出所有點(diǎn)以模擬值與實(shí)驗(yàn)值相減取絕對(duì)值除以實(shí)驗(yàn)值總和，最后除以所有取出點(diǎn)，與Nawachuku實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及模擬值比較，在y/L=1，1.5，3，4誤差分別為2.76%，3.67%，3.45%，4.3%;與Yazdi et al. （2010）相比誤差分別為 0.36%，0.72%，0.53%，0.23%。

結(jié)果顯示，在靠近丁壩區(qū)域模擬皆有不錯(cuò)的表現(xiàn)，唯有在y/L=4遠(yuǎn)離丁壩處會(huì)有較大誤差，因?yàn)樵谕瑯恿鲌?chǎng)變化區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格并未加密，導(dǎo)致有較大誤差，但整體上與實(shí)驗(yàn)相比算是有相當(dāng)不錯(cuò)的成果。

2.3.2 Tominaga et al.

如圖1所示，分別在D1（x=4.0m，z=0.07m）、D2（x=4.1m，z=0.01m）、D3（x=4.05m，z=0.02m）、D4（x=4.05m，z=0.07m）取出流速。檢定結(jié)果誤差計(jì)算如公式（1），與 Tominaga et al.相比在D1到D4誤差分別為1.92%，8.18%，0.55%，6.22%：與Yazdi et al. （2010）相比誤差分別為0.22%，0.14%，0.56%，0.43%。從模擬結(jié)果來(lái)看在D1跟D3兩個(gè)方向模擬成果相當(dāng)不錯(cuò)，但是在D2水深較深的地方成果比較不好，其原因在于在水深較深處受邊界層效應(yīng)影響，使得流況更為復(fù)雜，需要更精細(xì)的網(wǎng)格才能模擬得更好，而在D4可受到自由液面交換所導(dǎo)致。但從兩個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)M比較結(jié)果，F(xiàn)LUENT在渠道模擬結(jié)果有不錯(cuò)的表現(xiàn)，參數(shù)也可使用于后續(xù)研究。

3? 數(shù)值模擬結(jié)果討論

3.1 模擬管道案例

設(shè)計(jì)管道模擬試驗(yàn)，其說(shuō)明如下：

①模擬管道為長(zhǎng)15m、寬0.4m的水槽，取水槽中段 3m長(zhǎng)度作為本次模擬的范圍。

②入口處流體體積進(jìn)口時(shí)采用1做起始條件，即入口空氣體積與水體積比1：1，而后由模式自行運(yùn)算自由液面。

③第一支丁壩架設(shè)在水槽中段與右岸壁垂直相交，離上游邊界1.5m處，第二支架設(shè)在其后方0.24m處。

④模式運(yùn)算從水流進(jìn)入試驗(yàn)段到水流流出水槽為止。

上述試驗(yàn)條件為基本案例，分別改變丁壩長(zhǎng)度（L）、丁壩間距（D）及上游流速（V），來(lái)探討丁壩間的流場(chǎng)行為。

3.1.1 壩長(zhǎng)改變

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，隨壩長(zhǎng)增加影響水流加速區(qū)域?qū)⒓彼僮兇?，往左岸處集中，在短丁壩QDL1案例中區(qū)域流速?gòu)?.15（m/s）提升到0.391（m/s）;在QDL2案例中區(qū)域流速約為0.790（m/s）;在長(zhǎng)丁壩QDL3案例中區(qū)域流速?gòu)?.15（m/s）提升至0.933（m/s），而回流范圍在QDL1案例中由于丁壩長(zhǎng)度較短，整體回流范圍局限在丁壩附近，對(duì)于整體流場(chǎng)影響較小，而在QDL3中由于丁壩長(zhǎng)度較長(zhǎng)，將加速區(qū)域往左岸推出，使得回流范圍影響范圍變大，對(duì)整體流況有著極大影響。

從渦度來(lái)看，在QDL1中局部渦度提高集中在壩頭附近區(qū)域，渦度值約在14.3（l/s）;在QDL2中，渦度值約在18.3（1/s）;在QDL3中，渦度值約在37.3（1/s），在壩頭附近有很強(qiáng)烈渦流效應(yīng)，此現(xiàn)象與真實(shí)情況符合，當(dāng)渦度強(qiáng)烈區(qū)域會(huì)對(duì)底床產(chǎn)生強(qiáng)烈掏刷現(xiàn)象，而掏刷將集中在壩頭附近，隨著丁壩往河中延伸，此效應(yīng)將會(huì)被放大。

從流線來(lái)看，在QDL1中流線主要朝著下游前進(jìn)，并未隨著壩的架設(shè)而有大幅改變，且在第一支丁壩前小渦流現(xiàn)象并不明顯;此現(xiàn)象在QDL3時(shí)就很明顯，流線往左岸大幅集中，而第一支丁壩前小渦流變得非常明顯，整體流場(chǎng)現(xiàn)象非常強(qiáng)烈。

3.1.2 間距改變

從速度來(lái)看，局部加速效應(yīng)并沒(méi)有隨丁壩間距變大而有明顯改變，依然維持0.87～1.15（m/s）附近，在案例QD1L中水流受第二支丁壩影響，在壩體間回流打轉(zhuǎn)，在QD2L中發(fā)現(xiàn)在過(guò)壩體后，會(huì)漸漸恢復(fù)成直行狀態(tài)，在碰到第二支丁壩再次產(chǎn)生一回流現(xiàn)象，此回流區(qū)域會(huì)與前面回流區(qū)域相互影響;在QD3L案例，由于間距拉大后，第一支丁壩與第二支丁壩關(guān)系變小，兩者影響范圍開始分離。

在渦度方面，案例QD1L壩頭渦度來(lái)到4.31（1/s），由于兩支丁壩擺設(shè)較近使得壩頭沖刷更為劇烈，原本壩頭的沖刷行為會(huì)呈帶狀延續(xù)到后面一支，隨著間距拉開，在案例QD2L與QD3L中壩頭渦度值并沒(méi)有改變太多，依然與QD1L案例相差不大，但是范圍也開始集中在壩頭附近，并未延續(xù)到下一支丁壩，產(chǎn)生帶狀影響。

從流線來(lái)看，在QD1L案例中渦流產(chǎn)生在第二支丁壩前面，因?yàn)楫?dāng)水流過(guò)丁壩后，水流原先要在第一支丁壩后形成渦流，受到第二支丁壩阻擋反彈而在第二支壩前形成渦流;隨著間距拉大，第二支丁壩壩前渦流與第一只壩后渦流開始分離，在QD2L案例還有些許交互影響，但是在QD3L就很明顯分離成兩個(gè)渦流。

3.1.3 流量改變

Q1DL案例中低流速時(shí)，水流受丁壩影響整體速度改變從0.12（m/s）增加到0.193（m/s）;案例Q2DL中，速度從0.135（m/s）增加到0.242（m/s）;案例Q3DL中，從0.15（m/s）增加到0.323（m/s），且流速改變區(qū)域較低流速時(shí)更廣泛，一直綿延至第二支丁壩后，而在低流量則較為集中于丁壩區(qū)域。然而在高流量下較低流量劇烈許多，整體而言依然是在壩頭有著較為劇烈的沖刷，而流線在高流量下在過(guò)丁壩后會(huì)明顯往左岸集中，使得局部加速行為更明顯。

3.2 模擬結(jié)果分析

綜合前面三個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們可以得到表1結(jié)果：

由表發(fā)現(xiàn)流量改變，對(duì)于整體流場(chǎng)改變影響最不顯著，而間距與壩長(zhǎng)改變對(duì)于整體流場(chǎng)卻有極顯著影響;而保護(hù)長(zhǎng)度（Lp）定義在于水流經(jīng)過(guò)丁壩群后能保護(hù)區(qū)域長(zhǎng)度，丁壩個(gè)別回流長(zhǎng)度如有彼此相互覆蓋，則視同整體回流區(qū)域保護(hù)長(zhǎng)度;但當(dāng)丁壩間距過(guò)大，兩丁壩中間沒(méi)有交互影響的話，保護(hù)長(zhǎng)度則只會(huì)是單支丁壩產(chǎn)生的回流長(zhǎng)度。

本文將壩長(zhǎng)與河寬比（L/B）為取10%、20%及30%結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)L/B=30%時(shí)，雖然保護(hù)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，但壩頭流速急速增加，對(duì)底床深效果強(qiáng)，所以若將丁壩長(zhǎng)度再往河中心延伸，則需要對(duì)壩頭區(qū)域做局部抗沖刷行為;當(dāng)L/B等于10%時(shí)，壩頭流速情形沒(méi)有像高L/B那樣，渦度向下旋轉(zhuǎn)行為也未如此強(qiáng)烈，對(duì)底床刷深效果較小，保護(hù)的區(qū)域較為有限。大于L/B10%后，壩頭流速增加趨勢(shì)明顯，當(dāng)丁壩過(guò)長(zhǎng)時(shí)則易使河道束縮，造成河道有局部刷深的可能。

間距方面，規(guī)范在D/L=1.5～8.0之間，因此在相同入流條件及L/B=20%，不同間距情形下發(fā)現(xiàn)如果間距過(guò)短，壩頭流速將局部提升，渦度效應(yīng)有所增加，對(duì)于丁壩壩頭將產(chǎn)生沖刷，需對(duì)其做保護(hù)措施;隨著間距拉大，壩頭流速開始下降，保護(hù)長(zhǎng)度也有提升，但當(dāng)間距超過(guò)丁壩長(zhǎng)度5倍（0.4m）時(shí)，保護(hù)長(zhǎng)度并沒(méi)有隨之提升，反而開始縮短，當(dāng)間距過(guò)大，超過(guò)原先第一支丁壩所具有的保護(hù)長(zhǎng)度，然則第二支丁壩將與第一支丁壩沒(méi)有交互作用，使得第二支丁壩開始慢慢回復(fù)成單支獨(dú)立狀態(tài)。

而在相同入流條件及L/B=20%的情況下，改變上游流速發(fā)現(xiàn)隨著流量增高保護(hù)長(zhǎng)度會(huì)有提升，但是提升幅度卻沒(méi)有改變壩長(zhǎng)或是間距有效果，且渦度會(huì)大幅提升增加水流下向下刷深效應(yīng)，對(duì)于丁壩與底床都需要做額外保護(hù)措施。

將丁壩長(zhǎng)度、上游流況與丁壩間距做線性回歸后，得到回流長(zhǎng)度Lp與壩頭渦度ω關(guān)系式分別如下：

當(dāng)丁壩為淹沒(méi)式時(shí)，在本研究實(shí)驗(yàn)范圍B/L=（10%～30%）、3L？芨D？芨9L內(nèi)，這兩個(gè)公式可用來(lái)推導(dǎo)丁壩擺設(shè)對(duì)于壩頭沖刷嚴(yán)重程度以及丁壩保護(hù)能力，但仍能提供對(duì)壩頭區(qū)域做加強(qiáng)抗沖刷及保護(hù)岸壁施工法及丁壩擺設(shè)初步的參考依據(jù)。

4? 結(jié)論

丁壩長(zhǎng)度與壩頭沖刷有明顯關(guān)系，當(dāng)L/B過(guò)長(zhǎng)時(shí)，對(duì)于整體流場(chǎng)行為改變將非常劇烈。丁壩間距拉大，壩頭流速會(huì)有減緩趨勢(shì)，保護(hù)岸壁的長(zhǎng)度也會(huì)拉長(zhǎng)，但當(dāng)超過(guò)壩長(zhǎng)五倍，兩丁壩間交互行為會(huì)趨于薄弱。當(dāng)丁壩為淹沒(méi)式時(shí)，上游流量改變對(duì)于整體流場(chǎng)行為改變顯著，同樣丁壩擺設(shè)情形，高流量會(huì)比低流量對(duì)于側(cè)向有更好的保護(hù)效果，但向下刷深情況卻會(huì)加劇。丁壩長(zhǎng)度會(huì)大幅改變加速區(qū)域的范圍，因此當(dāng)L/B超過(guò)30%后，需要考慮對(duì)向岸壁與底床刷深的影響。

公式（2）和（3）可作為未來(lái)工程規(guī)劃上的初步考量，在適當(dāng)條件下，能對(duì)丁壩主體安全與河床安全有更簡(jiǎn)單的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊海英，盧敏.淹沒(méi)式丁壩三維流場(chǎng)數(shù)值模擬研究[J].山西建筑，2015（19）.

[2]楊蘭，寧健，白夏.丁壩流場(chǎng)及局部沖刷的數(shù)值模擬研究[J].蚌埠學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，5（4）.

[3]寧健，李國(guó)棟，馬淼.丁壩繞流流場(chǎng)及局部沖刷三維數(shù)值模擬研究[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展A輯，2017，32（1）.

[4]李義田.等離子槍體內(nèi)部水流場(chǎng)和氣流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].價(jià)值工程，2013，32（31）：311-313.