擺動淹沒射流對底床脈動沖擊的實驗研究

趙 鵬， 祝文龍， 喻國良

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院,上海 200240; 2.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240;3.上海交通大學 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

穩(wěn)定傾斜淹沒射流對固體床面的沖擊可見于眾多水力工程,例如高壩泄流、射流疏浚等。固定角度的傾斜射流具有幾何結(jié)構(gòu)簡單、流場相對穩(wěn)定等特點,在過去幾十年中已被廣泛研究[1]。然而,在實際工程中,射流在撞擊床面前會自發(fā)擺動[2]或人為附加擺動[3]作用,如流量不穩(wěn)定的高壩泄流,以及輔助疏浚所用的射流管道擺動等,往往在床面產(chǎn)生脈動沖擊,并導致下游床面上的流場振蕩,對床面形成振蕩剪切力。

目前,對傾斜淹沒射流的研究多針對穩(wěn)定傾斜淹沒射流,且已經(jīng)取得眾多成果。恒定傾斜射流的流動特性取決于流入射流的初始條件[4],包括射流出口速度u0、射流傾斜角(與床面夾角)θ及從射流出口到床面的垂直距離H/D。承受射流的床面(射流沖擊床)上的平均速度場和平均沖擊力通常認為與射流出口速度u0和垂直距離H/D成比例[5]。射流噴嘴距床面高度H可判斷射流沖擊到床面時是射流核心區(qū)還是完全發(fā)展區(qū):當H> 8.3D時[5],射流在沖擊床面之前完全發(fā)展;當H<5.5D時[5],射流沒有發(fā)展完全,射流以核心區(qū)沖擊床面。傾斜角θ是確定流量擴散至各個徑向方向分量的重要指標,向下游方向分離的流量隨著傾斜角θ的減小而增加,當傾斜角度θ=30°時,射流幾乎不會存在向后方的流動[6]。通常認為,射流對水工結(jié)構(gòu)物的破壞作用不僅與沖擊壓力的時均值有關(guān),而且與沖擊壓力的脈動特性有很大關(guān)系[2]。同時,附加振蕩載荷的射流也對泥床的沖刷起到促進作用。然而,當射流管口附加有擺動等振蕩作用時,其流場特性及其在床面產(chǎn)生的脈動沖擊力卻少有人關(guān)注。因此,對擺動淹沒射流引起的底床脈動壓力和流場特性有待開展深入研究。

本文擬探究恒定水頭的、恒定往復擺動的淹沒射流近壁區(qū)流場和對床面脈動沖擊力特性,基于現(xiàn)有的傾斜淹沒射流研究成果,在實驗室水槽中開展相關(guān)實驗,觀測擺動淹沒射流在近壁區(qū)的瞬時流場及床面的脈動壓力變化,分析床面脈動壓力的時空變化規(guī)律,評估擺動頻率和擺角幅值對脈動壓力的影響。

1 實驗及測量

1.1 實驗裝置

實驗在雙層循環(huán)水槽中進行,實驗系統(tǒng)如圖1所示。水槽長11 m,寬1 m,深1 m。實驗觀測段長3 m,側(cè)壁為透明玻璃,透過玻璃可以清楚地觀察射流情況。床面采用固定的不銹鋼板作為測試定床。實驗以水下疏浚工程為背景,按照管徑D0=2 m、水深ht0=10 m、出口流速u0=50 mm的條件進行實驗。根據(jù)射流理論,該工況下(H/D<5.5)射流以流速核心區(qū)沖擊底床[5]。為使實驗射流同樣以核心區(qū)沖擊底床,選擇幾何比尺為1∶40,則實驗管徑選用D=50 mm,沖擊高度H=200 mm,水深預(yù)設(shè)為Ht=270 mm。根據(jù)Froude相似準則,實驗出口流速U=1.698 m/s,因而設(shè)置流量Q=12 m3/h。射流的水頭恒定,且射流口以一個指定的恒定的幅角α和頻率f往復擺動。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

擺動射流通過擺動傾斜的射流噴嘴來實現(xiàn)。射流在擺動噴嘴的引導下往復式地掃射到床面上,在床表面產(chǎn)生周期性的脈動壓力,并在沖擊區(qū)下游產(chǎn)生振蕩附壁射流。擺動射流系統(tǒng)由射流動力源模塊、流量控制模塊和擺動執(zhí)行模塊組成。射流動力源模塊為1臺潛水泵,可提供的最大水壓為1.2 MPa,最大流量為15 m3/h。將泵放置在離觀察區(qū)6 m的射流下游處,以避免泵流干擾觀察區(qū)的流場。流量控制模塊由1臺電磁流量計及粗調(diào)、精調(diào)2個閥門組成,以設(shè)定射流管內(nèi)的初始流量。實驗系統(tǒng)在每次實驗中水頭損失保持不變,以確保射流的水頭恒定。擺動執(zhí)行單元由固定板支架、電動機、曲柄滑動機構(gòu)、移動滑軌和噴嘴組成,可提供穩(wěn)定的往復運動,協(xié)調(diào)性良好。射流噴嘴采用直徑D=50 mm,長度為400 mm的PVC管,放置在距平面垂直距離H/D=4 mm的位置處。射流噴嘴與表面的初始傾斜角θ=45°,由擺動執(zhí)行單元牽引,在α=±5°～±15°的擺角范圍內(nèi)進行正弦式擺動,擺動射流的頻率f控制在0～1.33 Hz的范圍內(nèi),每次設(shè)置1個指定值。本次共開展了21次實驗測量,實驗的具體條件見表1所列。

表1 實驗參數(shù)

1.2 實驗測量方法

1.2.1 流速測量

流速測量在射流中心線所在的豎直二維平面內(nèi)進行,原點O為θ=45°時射流中心線與底床的交點,X指向射流流動的下游,Y為垂直于床面的方向。流速測量儀器采用超聲多普勒速度剖面儀(ultrasonic Doppler velocity profile,UDVP)。 UDVP的探頭可同時作為超聲波脈沖信號的發(fā)射器和接收器,能夠捕獲與探頭平行的瞬時流速發(fā)布,可有效記錄擺動射流流場的時空流速特性。采樣所得的數(shù)據(jù)可在信號轉(zhuǎn)換器內(nèi)通過移動平均濾波進行濾定,獲取清晰的平均流速特征。

針對擺動射流擺角的時變特性,本文通過固定相位流速平均法對擺動射流的瞬時流速數(shù)據(jù)進行處理,可表示如下:

(1)

其中,x為測試點橫向位置;f為射流擺動頻率;2πft為測試相位;k為常數(shù);T為擺動周期。將探頭測得的流速峰值設(shè)置為參照點,選定參照點的某一相位值為初始相位2πft0,選取各周期中的相同相位流速數(shù)據(jù)進行平均,以獲取該相位的時均流速。本實驗根據(jù)射流擺動頻率的不同來調(diào)整UDVP的采樣頻率,使得對于不同擺動頻率的擺動射流,在一個擺動周期內(nèi)均可得到50次采樣,以獲得擺動射流50個相位時的瞬時流速。

對于擺動射流流場的空間變化特性,需要在x-y平面中進行坐標轉(zhuǎn)換。一方面,由于UDVP單次測量僅能得到沿探頭直線各點的流速,因此若要得到整個斷面的流速分布,則需不斷移動探頭來對x-y平面內(nèi)的流速值進行測量。在本實驗中,使用2個發(fā)射頻率為1 MHz、直徑為10 mm的探頭來測量擺動射流流速的水平和垂直速度分量。圖1中,探頭A在X軸方向上每隔10 mm從x=100 mm的位置移動到x=1 000 mm處,而探頭B每隔 5 mm從y=5 mm的位置移動到y(tǒng)=100 mm處,分別對平面的流速進行掃描式測量。另一方面,由于在使用UDVP進行流速測量時,需設(shè)置流體流動方向與探頭成一定夾角γ(多普勒角),以獲取流動介質(zhì)上的流速特征。因此,流速測試線上的各數(shù)據(jù)點坐標位置需進行相應(yīng)變換,從而使得交叉測量得到的數(shù)據(jù)能夠合理拼接。為將所測數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個坐標系下,測量點坐標可表示如下:

xi=xi0-Licosγ

(2)

yi=yi0-Lisinγ

(3)

其中,(xi0,yi0)為探頭的探測位置;Li為測量點沿探頭測量方向距探頭位置的距離。將流速數(shù)據(jù)統(tǒng)一至x-y二維坐標中后,依據(jù)不同位置的測量數(shù)據(jù)可得到瞬時流場的流速分布云圖。

1.2.2 壓力測試

沖擊射流的脈動壓力測試系統(tǒng)由擴散硅式壓力傳感器、USB-DAQ-HRF4626數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及測控計算機組成。其中,擴散硅式壓力傳感器表面安裝尺寸均為φ12 mm,壓力測量面為φ10 mm,固有頻率>30 kHz(遠高于射流的擺動頻率),量程為0～10 MPa,以測量足夠大范圍的沖擊力,同時排除近壁流速對壓力的影響,測量精度為0.3%。在圖1中,以床面坐標原點O為基準,在不銹鋼底床每隔75 mm安裝1個壓力傳感器,在-x方向安裝2個壓力傳感器,而在+x方向安裝5個傳感器來測試射流沖擊過程中床面壓力響應(yīng)的空間分布。在開啟射流擺動系統(tǒng)之前,預(yù)啟動壓力測試系統(tǒng)5 s,以此測量床面壓力由靜壓至動壓的全過程。數(shù)據(jù)采集頻率為10 kHz(遠高于射流的擺動頻率),單點采樣時間長度為1 200 s。

為使脈動壓力的變化能通過歸一化的數(shù)據(jù)進行分析,本實驗定義壓力系數(shù)Cp如下:

Cp=(pA-p0)/(0.5ρU02)

(4)

其中,pA為測量點的瞬時壓力;p0為位于相同淹沒深度的參考壓力;ρ為水的密度;U0為射流出口流速。

2 實驗結(jié)果與分析

對研究擺動射流沖擊區(qū)的流速特性和對床面沖擊壓力的大小,本文以實驗16為例,對擺動射流沖擊區(qū)的瞬時流場及擺動射流對床面的脈動壓力分布進行具體分析。

2.1 擺動射流沖擊區(qū)瞬時流場

與恒定傾斜射流[7]相似,擺動淹沒射流可分為自由射流區(qū)、射流沖擊區(qū)和附壁流區(qū)3個不同的流區(qū)。實驗13中射流擺動至約θ+ωt=30°、θ+ωt=45°及θ+ωt=60° 3個擺角相位時沖擊區(qū)歸一化后的平均瞬時流場如圖2所示,可清晰地觀察到擺動淹沒射流沖擊床面時所產(chǎn)生的自由射流區(qū)、射流沖擊區(qū)及附壁流區(qū)。自由射流區(qū)流速梯度自軸線向射流外側(cè)遞減,附壁流區(qū)流速自壁面向上方逐漸遞減,而射流沖擊區(qū)的流速特征隨擺動角度的不同而有所差異。從圖2a可以看出,射流在擺至約θ+ωt=30°時沖擊到床面,所形成的附壁射流總體向下游擴散,而觀測不到向上游擴展的跡象。在近壁沖擊區(qū),流場流速迅速衰減,由在自由射流區(qū)的流場流速u/u0=0.5,經(jīng)歷1.2D的壁面緩沖區(qū),在x/D=2處衰減為約u/u0=0.18。之后流速在下游附壁流區(qū)迅速增大到流速最大值u/u0=0.93,距離原點x/D=1.1。另外射流擺動相位θ+ωt=30°是射流自+x/D方向轉(zhuǎn)向-x/D方向擺動的瞬間,流速沿射流軸向呈現(xiàn)非對稱分布,自由射流區(qū)流速梯度線在擺動前側(cè)較擺動后側(cè)更為密集。以距射流口距離為3D處為例,射流擺動前側(cè)由u/u0=0.8衰減為u/u0=0.05僅經(jīng)歷了0.4D的距離;而在射流擺動后側(cè),該流速衰減過程則經(jīng)歷了約0.9D的距離。流速沿射流軸向分布的不對稱可能是由于射流擺動前側(cè)流場處于快要受射流的擾動,而射流擺動后側(cè)流場由遠及近先后受到過射流的擾動,遠場位置接受擾動較早且與周圍流場有動量交換而流速衰減程度更大,近場位置由于剛受到擾動使得流速仍保持較大值,從而在空間上形成流場流速在射流前側(cè)引導、在后側(cè)尾隨的現(xiàn)象。

(a) θ+ωt=30°

(b) θ+ωt=45°

(c) θ+ωt=60°圖2 不同擺角相位瞬時流場

從圖2b可以看出,當射流擺至θ+ωt=45°時,在沖擊區(qū)流速衰減更加急劇。流速梯度比θ+ωt=30°時大,流速幾乎不經(jīng)歷緩沖區(qū)便由u/u0=0.5衰減至約u/u0=0.2,之后迅速在下游壁面展開,形成附壁射流。在該擺角相位下,附壁射流主要向下游擴散,幾乎觀察不到向上游的回流。文獻[4]在觀察穩(wěn)定傾斜淹沒射流時曾指出,θ=30°為穩(wěn)定傾斜射流的沖擊臨界角,此時不存在向上游方向流動的附壁射流;而當θ>30°之后,逐漸可觀察到附壁射流向上游的回流。相比較而言,擺動射流擺動相位角大于穩(wěn)定傾斜射流沖擊臨界角時,仍無附壁射流向上游的回流現(xiàn)象,這可能是由于圖2c所示瞬間為射流自+x/D方向擺向-x/D方向的瞬間,射流在自由射流區(qū)的慣性延伸到?jīng)_擊區(qū),使得附壁射流依舊總體向尾流方向發(fā)展,表現(xiàn)為擺動傾斜射流的沖擊臨界角比穩(wěn)定傾斜射流時大。

由圖2c可以看出,當射流擺至該角度時,流速在沖擊區(qū)迅速減小,并在上游及下游壁面形成流向相反的兩部分附壁射流。在自由射流區(qū)與上游附壁射流之間,可觀測到一條u/u0=0的流速停滯帶。射流中心線與床面交點(Pc點)在約x/D=1.6處,而流速停滯帶前端(Ps點)延伸至約x/D=1.8處,稍滯后于Pc點。流速停滯的形成可能是由于射流動能在沖擊區(qū)迅速向壓力勢能轉(zhuǎn)化所致。該角度下,射流已存在沿壁面向上游擴散的分流,而其流動方向與自由射流區(qū)流速水平方向分量相反,流速由較大值降至0而后沿上游壁面逐漸增大至約u/u0=0.83。在下游方向,射流沿壁面逐漸展開,未出現(xiàn)明顯流速停滯現(xiàn)象,Ps點下游流速降至約u/u0=0.18后,開始在下游逐漸增大,下游附壁射流的流速最大值約為u/u0=1.003,出現(xiàn)在約x/D=0.5處,即Pc點下游約x/D=1.8處。

2.2 對底床的動水壓力分布

擺動頻率f=0.5 Hz和擺角幅值α=±15°時床面不同位置的脈動壓力系數(shù)Cp如圖3所示。需要指出的是,實測的壓力波動值比圖3曲線要頻繁,通常認為這是由于流場中的湍流及渦流作用導致的瞬時小幅波動。這種瞬時小幅波動值與射流沖擊引起的壓力顯著值相比要小而不規(guī)律得多,但會干擾擺動淹沒射流沖擊力的時空分析。文獻[8]在研究射流沖擊壓力時,使用短時步長平均法對壓力信號進行濾波,即將恒定短時間步長內(nèi)的壓力信號進行平均,并通過同一水環(huán)境中非射流直接沖擊處的床面壓力進行零位校正,從而有效降低水流紊動干擾,以對比分析射流沖擊壓力的顯著值與流場特性的關(guān)系。本文在對壓力信號處理過程中采用相同方法。

圖3 α=±15°脈動壓力分布圖

從圖3可以看出,擺動射流作用下床面各點Cp隨時間的變化并不是一個隨機過程,Cp值在各測位的壓力均出現(xiàn)周期性的波動現(xiàn)象,而且波動周期均與射流擺動相同,即f=0.5 Hz。但是,各測位的壓力波動幅值與波動形式出現(xiàn)了差異。在x/D=0處,Cp值在一個射流擺動周期內(nèi)出現(xiàn)了2次幅值近乎相同的波峰(Cpp=0.893±0.012)及幅值大小有差別的波谷(Cpv1=0.062±0.011、Cpv2=0.523 ± 0.008)。流速雙峰的出現(xiàn)可能是由于在一個擺動周期內(nèi),射流2次掃過該測點,并且均為直接沖擊,導致出現(xiàn)Cp值相同的2個波峰。不同的谷值則可能是由于擺動射流在掃經(jīng)上游點(θ+ωt=60°)和下游點(θ+ωt=30°)時,射流對該測點造成的壓力影響不同。由前文所述的瞬時流場可知,擺動射流在掃經(jīng)上游點(θ+ωt=60°)時,射流流量在其下游方向產(chǎn)生了較為大的分流,分流后產(chǎn)生的附壁射流仍然對床面有一定壓力作用,導致該測點谷值仍較大;而擺動射流在掃經(jīng)下游點(θ+ωt=30°)時,射流流量幾乎不向上游分流,致使該測點谷值壓力較小。測點x/D=2 處的壓力波動方式與x/D=0 處相似,但峰值與谷值小于x/D=0 處,其中,Cpp=0.689±0.017,Cpv1=0.058±0.013,Cpv2=0.344±0.011。

進一步觀察x/D=-2處的脈動壓力,發(fā)現(xiàn)一個擺動周期內(nèi)雖然有明顯的峰值和谷值階段,但其波動形式并不嚴格遵循射流管口所進行的正弦變化,而是出現(xiàn)了超過半個周期的谷值階段以及幾乎瞬時的峰值階段。在x/D=-2處明顯的脈動壓力可能是由于該點處于θ+ωt=60°位置附近,當擺動射流掃經(jīng)該點時,可造成該點較大壓力(Cpp=1.212±0.008);而當擺動射流掃離該點時,該點幾乎不再受射流的影響。壓力波動與正弦波動較為相似的點位出現(xiàn)在x/D=4及x/D=6處。

另一方面,各測點處的脈動壓力峰值Cpp隨x/D的增加而單調(diào)減小,其原因可能是由于在射流沖擊區(qū)(-2≤x/D≤2),射流沖擊床面時的傾角不同,當射流沖擊到x/D=0處時,射流傾斜角為θ+ωt=45°;而當沖擊到x/D=2處時,θ+ωt=33.7°。由此可見,在沖擊區(qū),隨著x/D的增加,床面受到射流沖擊時傾斜角θ+ωt逐漸減小。而由前文所述的瞬時流場可知,較小的傾角導致射流在沖擊區(qū)的流速衰減較小,使得射流動能轉(zhuǎn)化為壓力勢能的程度降低,表現(xiàn)為射流掃經(jīng)下游床面時Cp值要小于掃經(jīng)上游時Cp值。在附壁流區(qū)(x/D>2),床面壓力由附壁射流在近壁區(qū)的黏性和壁面吸引力產(chǎn)生,其大小隨x/D的增加而減小。

不同擺動頻率下x/D=0處(θ+ωt=45°)的瞬時壓力幅值Cpm,與文獻[4]結(jié)果進行對比，如圖4a所示。從圖4a可以看出,各頻率下的擺動射流的Cpm值均稍小于恒定傾斜射流產(chǎn)生的床面沖擊Cpw值,兩者之間的最大差值為Cpmax=0.045,表明擺動頻率對擺動射流Cpm值存在一定衰減作用。Cpm值小于恒定傾斜射流的Cpw值可能是由于射流在淹沒條件下受擺動作用的一定干擾引起的。

同時,在本研究涉及的擺動頻率范圍內(nèi)(f=0～1.33 Hz),隨著擺動頻率的增加,Cpm值在0.91～0.88之間略有降低,但趨勢并不顯著。若以簡易的線性關(guān)系表示該趨勢,則Cpm=-0.013f+0.908,R2=0.624。這種Cpm值隨擺動頻率f增加而降低的趨勢可能是由于更高的擺動頻率對射流的干擾更強烈。但總體上Cpmax較小、Cpm值隨擺動頻率衰減趨勢不顯著的原因可能是由于在射流口距床面高度H/D=4時,射流核心區(qū)在沖擊底床時仍然保持較好形態(tài),流速沿中心軸線衰減程度并不大,受擺動的干擾較小。

不同擺角下x/D=0處的瞬時壓力幅值的變化情況如圖4b所示。從圖4b可以看出,隨著擺角的增加,Cpm值較穩(wěn)定地分布于0.9附近,與文獻[4] 的傾斜射流實驗結(jié)果存在一定差別,但未出現(xiàn)明顯增加或減小的趨勢。3個擺角下Cpw與Cp=0.9之間的間距為±0.015,表明擺角對擺動射流Cpm值的影響可以忽略不計。

圖4 瞬時壓力幅值隨擺動頻率f及擺角幅值α的變化

3 結(jié) 論

本研究針對擺動淹沒射流對底床脈動壓力及瞬時流場特性進行實驗研究。不同于工程模型實驗中多因素共同導致的壁面激振影響,本文就射流單一擺動作用誘發(fā)的底床脈動壓力進行了研究探討,得到以下主要結(jié)論:

(1) 在自由射流區(qū),射流擺動過程中流速沿射流軸向呈非對稱分布,自由射流區(qū)流速梯度在擺動前側(cè)比擺動后側(cè)大。

(2) 擺動射流在近壁區(qū)產(chǎn)生向上游回流的臨界傾斜角比恒定傾斜射流時大。擺動射流在擺至θ+ωt=60°時,附壁流區(qū)會明顯存在一股向上游的回流,并在附壁流區(qū)與自由射流區(qū)之間存在明顯的滯流帶;而當射流角擺至θ+ωt=45°以下時,射流主要向下游方向擴散,不出現(xiàn)向上游的回流。

(3) 不同于恒定傾斜射流產(chǎn)生的穩(wěn)定床面沖擊壓力,擺動淹沒射流下沖擊區(qū)床面壓力隨時間變化而變化。在擺動射流掃經(jīng)床面的最上游(ωt=+α沖擊位),壓力隨時間的波動并不遵循射流管口所施加的正弦變化,而是長時谷值、瞬時峰值的脈動變化;在擺動射流掃經(jīng)床面的最下游(ωt=-α沖擊位),壓力隨時間波動遵循規(guī)律的正弦變化,且與管口擺動同頻;在上述2個極限位置之間(ωt=+α～-α沖擊位),脈動壓力在一個射流擺動周期內(nèi)經(jīng)歷2次波峰和波谷,2次波峰值相同而波谷值有差異。

(4) 床面瞬時壓力峰值Cpm在射流擺動狀態(tài)下略低于恒定傾斜射流在床面產(chǎn)生的Cp值;Cpm隨x/D的增加呈單調(diào)減小,隨擺動頻率的增加而略有降低;在H/D=4條件下,f=0.10～1.33 Hz范圍內(nèi)床面壓力峰值Cpm=-0.013f+0.908,而擺動幅角對Cpm影響可忽略不計。