王遠(yuǎn)明, 韓 宇, 楊學(xué)春, 王立海, 劉曉東, 蘇安雙
(1. 東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱150040; 2. 黑龍江省三江工程建設(shè)管理局, 黑龍江 哈爾濱 150040; 3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院, 北京 100083; 4. 合肥學(xué)院 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院, 安徽 合肥 230601; 5. 黑龍江省水利科學(xué)研究院, 黑龍江 哈爾濱 100050)
防浪林護(hù)岸工程是指種植于堤防迎水側(cè),用于保護(hù)堤岸免受水流風(fēng)浪侵襲和沖刷的一種林木生態(tài)護(hù)岸工程.防浪林是通過(guò)林木結(jié)構(gòu)自身改變流場(chǎng)特性,增大風(fēng)浪能量的耗散,從而減小風(fēng)浪對(duì)堤岸以及建筑的沖刷程度.相較于其他堤岸保護(hù)工程,防浪林具有成本低、消波效果顯著、改善生態(tài)等優(yōu)勢(shì),因此在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用.文獻(xiàn)[1]研究了防浪林種植寬度對(duì)消浪效果的影響,精細(xì)模擬了防浪林帶寬度不同時(shí)海浪對(duì)海堤的沖擊以及爬坡高度情況,深入分析了破碎波條件下防浪林寬度對(duì)消浪護(hù)堤效果的影響.文獻(xiàn)[2]研究了對(duì)防浪林消浪的影響因素,結(jié)果表明:當(dāng)種植樹(shù)木數(shù)量相同時(shí),等邊三角形排列方式的消浪效果最好;在不影響行洪的前提下,防浪林寬度越大,株距越小,消浪作用越強(qiáng);剛性植被要比柔性植被消浪效果好.文獻(xiàn)[3]研究了不同林相結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)浪消能效果的影響,發(fā)現(xiàn)風(fēng)浪漲速不快、但風(fēng)浪較大時(shí)應(yīng)采用單一植被形式,反之則需要采用復(fù)合植被形式.
由于實(shí)際工程中防浪林規(guī)模非常大,很難進(jìn)行直接測(cè)量.文獻(xiàn)[4]研究了剛性植被在淹沒(méi)和非淹沒(méi)兩種條件下的流速分布情況,結(jié)果表明:矩形斷面非淹沒(méi)剛性植被被水沖刷時(shí)均為縱向流速,呈“J”形分布,淹沒(méi)剛性植被工況下則呈“S”形分布,在淹沒(méi)植被的頂端流速出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn);由于植被的存在,導(dǎo)致水流紊動(dòng)增強(qiáng),能量傳遞加劇,因此植被的存在會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生均化作用.文獻(xiàn)[5]研究了灘地種樹(shù)密度、排列方式對(duì)水流的影響,采用對(duì)灘地種樹(shù)前后灘槽交界區(qū)域的流速場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量,分析灘槽交界區(qū)域的垂線流速、紊動(dòng)強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力的變化.除試驗(yàn)方法外,數(shù)值模擬也被廣泛應(yīng)用于防浪林研究.文獻(xiàn)[6]把植被群落概化為多根圓柱以同心圓形式排列,通過(guò)直接數(shù)值模擬(DNS),研究了具有不同固體體積分?jǐn)?shù)的二維植被群落對(duì)水流特性的影響.文獻(xiàn)[7]通過(guò)數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)不同植被形態(tài)對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)作用存在較大差異,在控制來(lái)流條件相同的情況下,對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)作用由大至小依次為直立態(tài)植被、傾斜態(tài)植被和臥倒態(tài)植被.
筆者基于試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對(duì)明渠中不同布置形式的剛性植被對(duì)水流阻力特性的影響規(guī)律進(jìn)行研究,以期為防浪林護(hù)岸工程建設(shè)提供理論依據(jù).
湍流是每個(gè)流體微團(tuán)在宏觀空間尺度上和在時(shí)間上作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)[8],一般采用時(shí)均法進(jìn)行處理,計(jì)算公式如下:
(1)
(2)
由于水的壓縮性很小,可視為不可壓縮流體.對(duì)于二維平面,定義如下:
湍流時(shí)均連續(xù)性方程定義為
(3)
湍流脈動(dòng)連續(xù)性方程定義為
(4)
對(duì)N-S方程進(jìn)行時(shí)間平均,得到不可壓縮牛頓流體湍流時(shí)均運(yùn)動(dòng)方程,即雷諾方程定義為
(5)
式中:μ為分子黏度.
尺度自適應(yīng)模型(SAS)是在湍流模型的基礎(chǔ)上引入馮卡門特征尺度[9],使得模型可以自動(dòng)調(diào)整源項(xiàng),以求得可解結(jié)構(gòu).其機(jī)理是在接近平衡的湍流區(qū)域采用雷諾平均模型,在非平衡湍流區(qū)采用大渦數(shù)值模擬,是一種混合RANS/LES方法.其數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)述如下.
該模型對(duì)于雷諾應(yīng)力項(xiàng)的處理采用渦黏性封閉模式,定義為
(6)
(7)
(8)
式中:Gk為由平均流速梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能;cμ=0.09;Prk和Prω分別為相對(duì)于k和ω的湍流普朗特?cái)?shù);α、β、F1和Prω2是由文獻(xiàn)[10]給定的SSTk-ω模型的系數(shù).
SAS模型與SSTk-ω模型區(qū)別在于SAS模型中多了附加項(xiàng)QSAS,該附加項(xiàng)與馮卡門長(zhǎng)度尺度LVK有關(guān):
(9)
.
(10)
基于馮卡門長(zhǎng)度尺度LVK,SAS模型可以求解不穩(wěn)定區(qū)域中類似LES的湍流問(wèn)題,也能用RANS方程對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行湍流建模,它被廣泛應(yīng)用于邊界層分離現(xiàn)象的研究中.
基于文獻(xiàn)[11]開(kāi)展的有限圓形群落試驗(yàn),本研究中使用Fluent數(shù)值模擬軟件對(duì)防浪林進(jìn)行數(shù)值模擬,將模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析.為了能夠真實(shí)的反映整個(gè)防浪林內(nèi)部的水流特性,數(shù)值計(jì)算模型的幾何形狀、尺寸、所采用的植被尺寸、水深、流速與物理模型試驗(yàn)完全相同.由于本研究中主要關(guān)注的是防浪林布置形式對(duì)于流場(chǎng)的影響,不考慮自由水面的影響,將水與空氣的交界面設(shè)置為對(duì)稱面,進(jìn)口采用速度進(jìn)口,出口為壓力出口,壁面以及植被設(shè)為wall.選擇防浪林的高度與水深相同,計(jì)算時(shí)采用單相流.模型的建立源自于試驗(yàn)?zāi)P?
網(wǎng)格通常分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格.結(jié)構(gòu)網(wǎng)格是一種傳統(tǒng)的網(wǎng)格形式,節(jié)點(diǎn)排列有序,適于流體和表面應(yīng)力集中等方面的計(jì)算,具有網(wǎng)格生成速度快、網(wǎng)格質(zhì)量高、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、與實(shí)際模型更容易接近等優(yōu)點(diǎn),適用于形狀規(guī)則的圖形.非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)是以一種不規(guī)則方式布置在流場(chǎng)中,雖然生成過(guò)程比較復(fù)雜,但有極強(qiáng)適應(yīng)性,對(duì)復(fù)雜邊界的流場(chǎng)計(jì)算問(wèn)題有很好效果.考慮到本研究中幾何模型的邊界存在不規(guī)則的幾何形狀,渠道中存在大量直徑較小的植被,而渠道整體尺寸相對(duì)很大,因此采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)流體域進(jìn)行劃分.圖1為平行防浪林整體網(wǎng)格圖.由于植被附近水流存在較大流速梯度,因此需要對(duì)植被附近流體域的網(wǎng)格進(jìn)行加密,以獲得更高的數(shù)值模擬計(jì)算精度.植被附近局部加密網(wǎng)格如圖2所示.
數(shù)值計(jì)算模型采用沿水深方向上的非穩(wěn)態(tài)單相流,考慮到耦合式求解所需要的內(nèi)存過(guò)大,因此采用分離式求解器進(jìn)行求解.在重力環(huán)境下進(jìn)行計(jì)算,重力加速度為9.8 m·s-2.流體自由水面采用對(duì)稱面進(jìn)行處理,紊流模型采用標(biāo)準(zhǔn)SAS湍流模型,由于近壁區(qū)對(duì)整個(gè)流體域有較大影響,因此近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理.數(shù)值模型邊界條件設(shè)置如下:水流入口采用速度入口,具體速度值根據(jù)流量計(jì)算得到,出口處設(shè)定為壓力出口,靜壓力設(shè)為0,自由水面設(shè)置為對(duì)稱面.各邊界條件的紊流參數(shù)均按照經(jīng)驗(yàn)公式給定,湍動(dòng)能k=0.022 m2·s-2,耗散率ω=0.007 9 m2·s-2,由于渠道和防浪林均為亞克力板構(gòu)成,邊壁均較為光滑,故wall的當(dāng)量粗糙度采用0.005 mm.動(dòng)量、紊動(dòng)能和紊動(dòng)能耗散速率的離散均采用二階迎風(fēng)格式.殘差設(shè)為1×10-6,時(shí)間步長(zhǎng)0.001 s,總步數(shù)設(shè)為6×104步,每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的最大迭代計(jì)算次數(shù)為20次.
主體試驗(yàn)水槽長(zhǎng)×寬×高=6.30 m×0.80 m×0.60 m.圖3為渠道主視圖.在距渠道進(jìn)水口0.50 m位置處布置長(zhǎng)×寬×高=5.30 m×0.80 m×0.01 m的硬塑料底板,底板上孔采用梅花狀布置,其橫向間距和縱向間距均為0.06 m.試驗(yàn)中,采用直徑為0.005 m、長(zhǎng)為0.300 m亞克力棒,模擬剛性植被.圖4為渠道植被的整體布置形式.圖5為渠道植被間距尺寸.植被采用斑塊狀布置形式,根據(jù)試驗(yàn)需要,可以選擇幾排橫向植被作為一個(gè)斑塊帶進(jìn)行研究,斑塊帶之間的間距也可以做適當(dāng)調(diào)整.
圖3 渠道主視圖
圖4 渠道植被的整體布置形式
圖5 渠道植被間距尺寸
用ADV流速儀測(cè)出每個(gè)斑塊后的流速分布.為了能夠更為直觀地表示植被對(duì)水流的阻力大小,根據(jù)該試驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)了一套植被阻力的測(cè)量裝置.選取一個(gè)斑塊植被作為試驗(yàn)樣本,在一塊長(zhǎng)×寬×高=0.50 m×0.75 m×0.05 m的亞克力板上,用與底板相同的方式進(jìn)行打孔.將斑塊植被的一端固定在懸空的亞克力板上,將兩條光滑軌道(摩擦系數(shù)為0.005)順著水流方向布置在水槽上方,將導(dǎo)軌下游端固定,上游端固定在升降臺(tái)上.通過(guò)調(diào)整升降臺(tái),將滑軌上游端稍稍抬起,以平衡滑塊與滑軌的摩擦力.用絲桿將亞克力板4個(gè)角連接在滑塊上,通過(guò)調(diào)節(jié)絲桿高度,使植被的另一段稍微脫離底板.選用艾德堡測(cè)力計(jì)(量程5.00 N,精度0.05 N),將測(cè)力計(jì),另一端掛鉤固定在亞克力板上,試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)力計(jì)的讀數(shù)可以通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)诫娔X上.利用該設(shè)備可以直接測(cè)量出植被對(duì)水流的阻力大小.
試驗(yàn)待測(cè)參數(shù)主要包括流量、渠道底坡、水深及流速.在渠道進(jìn)水口處安裝有穩(wěn)流蜂巢,起到穩(wěn)水的效果.在渠道出水處設(shè)有尾門,通過(guò)調(diào)節(jié)尾門,可以獲得試驗(yàn)所需理想水深.整個(gè)試驗(yàn)運(yùn)行的流量由電磁流量計(jì)控制,通過(guò)閥門開(kāi)度和運(yùn)行頻率的有效結(jié)合,可以得到試驗(yàn)所需流量,運(yùn)行工況流量范圍為0.019 4~0.472 0 m3·s-1.利用水準(zhǔn)儀測(cè)量渠道底坡的坡度.渠道水深由測(cè)壓管讀出,從入水口到出水口的邊壁上每隔1 m設(shè)置一個(gè)測(cè)壓管.通過(guò)ADV測(cè)量渠道中所有測(cè)點(diǎn)的流速,每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置均進(jìn)行了標(biāo)記,將ADV安放在渠道上面可以縱橫雙向移動(dòng)的導(dǎo)軌上,ADV的采樣頻率為25 Hz,量程為0.5 m,每個(gè)測(cè)點(diǎn)采樣時(shí)間為3 min,測(cè)量的瞬時(shí)流速數(shù)據(jù)可以直接傳輸?shù)诫娔X上.渠道試驗(yàn)實(shí)景如圖6所示.
圖6 渠道整體試驗(yàn)實(shí)景
流速分布是防浪林水流中非常重要的水流特征.考慮到試驗(yàn)條件的影響,每個(gè)試驗(yàn)工況只測(cè)量一排防浪林后的流速分布情況,因此通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)一步分析整個(gè)防浪林內(nèi)部的流速分布.模型參數(shù)如下:渠道長(zhǎng)為6.300 m,寬為0.800 m,深為0.128 m,流量為100 m3·h-1,入口平均流速為0.273 m·s-1,每排防浪林間距為0.300 m.計(jì)算模型尺寸與實(shí)際物理模型相同.數(shù)值模擬采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.
為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬準(zhǔn)確性,將防浪林后垂向流速的試驗(yàn)測(cè)量值與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.在驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值模擬的方法研究不同的防浪林布置形式對(duì)阻力的影響.圖7為植被后垂向流速分布試驗(yàn)值與模擬結(jié)果對(duì)比.圖7中x方向?yàn)樗鞣较?,y方向?yàn)樗罘较?,D為植被直徑,u0為入口平均速度,u為測(cè)點(diǎn)平均速度,h為水深.由圖7可知,數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果可以較好地吻合,驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性.
圖7 植被后垂向流速分布試驗(yàn)值與模擬結(jié)果的對(duì)比
圖8為阻力F與流量Q關(guān)系圖.由圖8可知:隨著流量增加,渠道中流速也隨之增加;植被后渦帶越大,植被阻力測(cè)量裝置所測(cè)量的阻力越大.因此可以得到植被后渦旋結(jié)構(gòu)與其對(duì)水流造成的阻力存在密切的聯(lián)系.
圖8 阻力與流量關(guān)系圖
明渠中防浪林后的渦帶是植被對(duì)水流影響產(chǎn)生的非常重要的水流特性,流速是影響渦帶形態(tài)的重要因素.本研究中,在明渠截面面積一定的情況下,設(shè)定不同流量,以獲得不同流速.因此,本研究中,主要研究不同流量下防浪林后渦帶的發(fā)展規(guī)律,除緊貼植被帶處明顯的渦旋結(jié)構(gòu)外,植被后較長(zhǎng)一段距離中還會(huì)存在明顯的卡門渦街.卡門渦街結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,且隨時(shí)間推進(jìn),渦帶形態(tài)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化.對(duì)流量分別為0.025 0、0.028 0、0.030 5和0.033 0 m3·s-1時(shí)植被后流速分布情況進(jìn)行了數(shù)值研究.圖9為不同流量下交錯(cuò)布置防浪林植被后垂向流速分布模擬結(jié)果.
圖9 交錯(cuò)布置防浪林植被后垂向流速分布模擬結(jié)果
當(dāng)防浪林交錯(cuò)布置時(shí),可以發(fā)現(xiàn)隨著來(lái)流流量增加,植被后渦旋結(jié)構(gòu)不斷增大,同時(shí)發(fā)現(xiàn)每排防浪林后的渦帶十分相似,并且渦帶能夠充分發(fā)展,每個(gè)植被后的渦帶并不存在相互影響.根據(jù)植被對(duì)水流阻力與植被后渦帶的影響關(guān)系分析,該種布置形式下,植被能夠?qū)λ鳟a(chǎn)生較大阻力,也就意味著能夠消耗掉更多水流能量,從而起到較好的防浪效果.當(dāng)防浪林平行布置時(shí),由于防浪林的相互影響導(dǎo)致上游植被渦帶發(fā)展受到影響.圖10為不同流量下平行布置防浪林植被后垂向流速分布模擬結(jié)果.
圖10 平行布置防浪林植被后垂向流速分布模擬結(jié)果
由圖9、10可知,平行布置防浪林的植被后渦旋結(jié)構(gòu)形式與交錯(cuò)布置相比存在明顯差別.由于防浪林平行布置將導(dǎo)致上游植被產(chǎn)生的渦帶受到下游植被的影響,且不能充分發(fā)展.隨著水流流速增加,這種影響越來(lái)越明顯.根據(jù)植被阻力與植被后渦旋結(jié)構(gòu)的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn),平行布置形式對(duì)水流的阻力比交錯(cuò)布置形式小,說(shuō)明平行植被布置形式的防浪效果較差.
1) 搭建了明渠試驗(yàn)臺(tái),利用ADV獲得了植被后的渦帶特征,通過(guò)設(shè)定不同的來(lái)流條件,發(fā)現(xiàn)植被后渦帶越大,對(duì)應(yīng)的阻力越大,同時(shí)獲得了明渠入口流量與植被斑塊所受阻力的定量關(guān)系.
2)基于數(shù)值模擬的方法,對(duì)平行布置形式與交錯(cuò)布置形式進(jìn)行模擬.對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),在植被密度相同的情況下,相比于平行布置,植被交錯(cuò)布置能夠?qū)λ鳟a(chǎn)生更大阻力,通過(guò)數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法驗(yàn)證了結(jié)論的正確性.防浪林采用交錯(cuò)布置形式能夠?qū)︼L(fēng)浪產(chǎn)生更大阻力,消耗更多的水流能量,具有更好的防浪效果.
江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2021年2期