防浪林不同林木布置模式對(duì)河道水流結(jié)構(gòu)的影響

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).

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 基本運(yùn)動(dòng)方程

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.

1.2 湍流模型

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.

2 物理模型

2.1 數(shù)值模擬模型

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.

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

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

3 結(jié)果與分析

3.1 明渠中防浪林的流速分布特性

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

3.2 兩種植被布置形式下植被后流速渦帶的對(duì)比

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.

4 結(jié) 論

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.