航道整治河段流動(dòng)特性的三維數(shù)值模擬分析

陳躍宏

摘 要：在應(yīng)用于航道整治活動(dòng)中的各種建筑物里，丁壩屬于非常常見的一類。丁壩的結(jié)構(gòu)有利于約束和引導(dǎo)外來(lái)的水流，將水源約束在丁壩的河道里，而且能夠保護(hù)岸堤，減輕水源對(duì)環(huán)境的破壞程度。另外，丁壩的壩體附近存在很多比較復(fù)雜的水流現(xiàn)象，因此探究航道整治河段的水流特性是很有必要的，也能夠?yàn)榕c航道整治相關(guān)的建筑物的構(gòu)造設(shè)計(jì)提供思路。本文以丁壩為主要研究對(duì)象，首先分析了丁壩近場(chǎng)可能存在的不同水流現(xiàn)象，并概述三維數(shù)值分析所需要應(yīng)用的相關(guān)計(jì)算模型，然后通過建立模型同時(shí)結(jié)合實(shí)例驗(yàn)證模型最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，探究壩體計(jì)算區(qū)域的水流特性。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;丁壩;流動(dòng)特性;航道整治

中圖分類號(hào)：U617 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2021）07-0106-04

1引言

在航道整治活動(dòng)中，丁壩建筑物的應(yīng)用是各種建筑物中比較普遍的一種。丁壩能夠起到很好的束水歸槽的作用，不僅能夠減少堤岸損毀情況的發(fā)生，還可以有效地保證整治河段區(qū)域形態(tài)的穩(wěn)定性。丁壩按照壩體的平面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)劃分，可以被分為很多類別，比如“丁”字型、直線以及曲線型等等。除了按照平面形狀來(lái)劃分，丁壩還可以按照構(gòu)筑材料、水位高度以及壩體軸線與水體流向的關(guān)系等劃分為很多類型。構(gòu)建丁壩容易導(dǎo)致丁壩附近的各個(gè)水源線路匯集，進(jìn)而會(huì)影響并改變其近場(chǎng)水流流動(dòng)的結(jié)構(gòu)，最終結(jié)果是造成泥沙的淤積問題。構(gòu)建丁壩會(huì)改變水流的壓力以及流速場(chǎng)，是水流的流動(dòng)表現(xiàn)出明顯的三維特征，丁壩壩體的頭部和尾部形成不同的水流現(xiàn)象，這是水流的紊流。

2數(shù)值計(jì)算模型

2.1控制方程

式（1）為水流的連續(xù)方程，式（2）-（4）為N-S方程，其中ui是平均速度，Ai和VF分別為流體的面積以及體積分?jǐn)?shù)，Gi和fi分別是體積力和黏性力，壓力是P，應(yīng)變力張量和總動(dòng)力黏性分別是Si、μtot、τij、τw，I分別為流體以及壁面剪應(yīng)力。

2.2 泥沙輸運(yùn)方程

式（5）的輸沙率公式是基于希爾茲數(shù)的泥沙運(yùn)輸模型而進(jìn)行構(gòu)建的，主要考慮河道計(jì)算區(qū)域內(nèi)推移質(zhì)泥沙的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于河道計(jì)算區(qū)域內(nèi)懸移質(zhì)泥沙的運(yùn)動(dòng)影響則忽略不計(jì)。

式中，ρs 代表泥沙的密度，qb以及ub分別是推移質(zhì)輸沙率和運(yùn)輸?shù)钠骄俣龋琩、p分別是泥沙顆粒的平均半徑以及起動(dòng)的概率。

3模型實(shí)例驗(yàn)證

3.1 壩體三維數(shù)值模型

某整治河段的流域長(zhǎng)度大約為1290米，在還沒有開展河段整治活動(dòng)時(shí)，該區(qū)域河段的平面形狀彎曲部分的曲率并不高，整體形狀順直。但是，該河段的河底部位并不順平，存在各種比較大的凸起和凹坑。另外，通過該河段的水流流量在其計(jì)劃的水位之下是比較小的，整個(gè)區(qū)域水位深度平均為1.9米，流量大約為每秒鐘369立方米，河段流域的寬度平均為198米，從結(jié)構(gòu)上來(lái)劃分該河段為淺寬式。離河段入口斷面790米的地方，存在淤積的泥沙在河底堆積，產(chǎn)生了逆坡。再往后的河底處存在深譚，該區(qū)域河段存在的最大寬度為390米。想要整治并解決該河段存在的問題，使其整治后河段的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到4級(jí)，需要在河段開展實(shí)施活動(dòng)去提高河流航道的深度，然后構(gòu)筑順壩，順壩位置要選在河底深潭處河段斷面寬度最大的地方的左側(cè)岸堤，以便于對(duì)外來(lái)水流的約束引導(dǎo)。如圖1所示為整治河段的設(shè)計(jì)水位下水面曲線以及河底高程圖。

3.2 計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格劃分

以整治河段區(qū)域的施工設(shè)計(jì)和河段的地形構(gòu)造為依據(jù)，對(duì)整治河段區(qū)域的形狀進(jìn)行構(gòu)設(shè)。整治河段區(qū)域按93*20*19對(duì)河段設(shè)計(jì)水位流場(chǎng)的計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行劃分。如圖2所示，分別為入流斷面的網(wǎng)格劃分具體示意圖以及計(jì)算區(qū)域水面的網(wǎng)格劃分示意圖。

3.3 河段計(jì)算區(qū)域的邊界條件

整治河段計(jì)算區(qū)域的邊界條件：對(duì)稱條件由該區(qū)域的自由水面上來(lái)給定;整治河段計(jì)算區(qū)域的出口位置是出流邊界，出口斷面給定水流的流量，計(jì)算區(qū)域要在邊界流速無(wú)規(guī)律分布時(shí)合理的進(jìn)行調(diào)整增大，要達(dá)到紊流水流的邊界要求;航道河段的入流邊界是計(jì)算區(qū)域的入口位置，航道河段在入流斷口的水流流速的給定是均勻的，入口斷面的面積除入口流量得到的結(jié)果值就是入口斷面的流速;無(wú)滑移條件下的固定壁面由計(jì)算河段區(qū)域的邊壁和河底給定。

4計(jì)算結(jié)果及其分析

整治河道構(gòu)建丁壩會(huì)對(duì)該整治河道先前的河床面和水位狀況造成影響。首先丁壩的存在會(huì)阻擋原先水流的流動(dòng)，進(jìn)而會(huì)造成該河段水位的升高，而且河段的水位高度不會(huì)在變化后就快速保持穩(wěn)定。另外，由于構(gòu)建丁壩后整治河段的流水?dāng)嗝婷娣e會(huì)變小進(jìn)而導(dǎo)致增大水流速度，處于河底的切應(yīng)力變大，泥沙會(huì)隨著水源流動(dòng)最終使該河段的水位下降保持穩(wěn)定。如圖3為計(jì)算區(qū)域表面的流速矢量圖。

在設(shè)計(jì)的河段水位下方水流的流量很大但是深度比較小，每秒2.015米是位于入口斷面處的水流的平均流動(dòng)速度，整治河段所處位置的地形環(huán)境會(huì)對(duì)流場(chǎng)造成影響。除了小部分地形構(gòu)成比較復(fù)雜的河段區(qū)域水流流速不具有規(guī)律性，河段水流的運(yùn)動(dòng)速度在整體上呈現(xiàn)出拋物線形的流速規(guī)律。在x=740米處的河段位置，岸堤附近的水流存在部分回流，河底則呈現(xiàn)出均勻規(guī)律性的水流流速，而且水流的運(yùn)動(dòng)速度比較大。而在x=1350米處的河段位置，河段的寬度變大且在河流底部有深譚存在，這個(gè)位置的河段岸堤也存在水流的回流現(xiàn)象，但是相對(duì)比來(lái)說左側(cè)岸堤附近的水流回流現(xiàn)象比右側(cè)岸堤的回流現(xiàn)象要明顯，回流現(xiàn)象存在的區(qū)域范圍更大。該整治河段區(qū)域在x=950米后存在長(zhǎng)度約為1250米的順壩和挖槽，這個(gè)河段范圍內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，河段整體的形狀也比較直順。

如圖4所示的河流航道區(qū)域，河流臨近底部的坡度變化比較快，而且由于水流受到慣性以及重力的影響，在這些因素的共同作用下水流出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，河段岸堤附近的區(qū)域有水流橫向運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象出現(xiàn)。如圖5所示在x=971.6m的整治河段區(qū)域橫斷面處，河底的坡度變化比較小，在河段的岸堤附近地形的走勢(shì)也比較穩(wěn)定。在這個(gè)河段區(qū)域的河道寬度是比較大的，存在水流隨著岸堤的坡度向上運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，而且部分水流會(huì)同時(shí)進(jìn)行橫向運(yùn)動(dòng)。

如圖6所示x=1239.7m的整治河段區(qū)域橫斷面處，該河段的位置處于壩體的末端，而且該河段在臨近河底位置的坡度變化比較小，河段左側(cè)岸堤的河灘地勢(shì)形態(tài)是影響該區(qū)域水流運(yùn)動(dòng)的主要因素。在右側(cè)的岸堤附近，水流的運(yùn)動(dòng)速度比較均勻且河段的過水面寬度漸漸增大，而左側(cè)岸堤附近的水流運(yùn)動(dòng)速度則存在變化，流場(chǎng)比較復(fù)雜且水流的運(yùn)動(dòng)速度加快。如圖7所示在x=1323.4m處的整治河段區(qū)域橫斷面，該河段位于河底深潭的中心區(qū)域，這個(gè)區(qū)域的地勢(shì)形態(tài)存在較多的變化，水流具有非常顯著的三維特性。在靠近深潭的上游區(qū)域，河底的坡度變化非常劇烈，垂直方向的水流運(yùn)動(dòng)速度加快并往底部運(yùn)動(dòng)。該河段處的左側(cè)岸堤寬度較大，下方運(yùn)動(dòng)的水流擠壓處于回流區(qū)域內(nèi)的水流并導(dǎo)致被擠壓的水流往上運(yùn)動(dòng)，該河段區(qū)域存在比較明顯的回流現(xiàn)象。

在x=1400米向后的河段區(qū)域，地勢(shì)形態(tài)比較穩(wěn)定且河流底部的坡度變化水平比較低，水流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比較穩(wěn)定。水流的運(yùn)動(dòng)整體呈現(xiàn)主流運(yùn)動(dòng)速度快而岸堤兩邊的運(yùn)動(dòng)速度比較慢的流動(dòng)規(guī)律。

5 結(jié)論

在河流整治區(qū)域內(nèi)，水流運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性，而且河道會(huì)因?yàn)槟嗌车挠俜e以及水流運(yùn)動(dòng)過程中的沖擊而改變其河流走勢(shì)形態(tài)。各種整治河流狀況的建筑物的構(gòu)筑能夠造成河流航道發(fā)生快速且程度很大的變化。而且處于建筑物附近的水流會(huì)和邊界分離，進(jìn)而會(huì)在整治建筑物的近場(chǎng)形成很多復(fù)雜的水流運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，打破先前水流運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。而且形成的這些水流運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象會(huì)對(duì)構(gòu)建的壩體和河流航道的形態(tài)造成反面的影響。本文依據(jù)k～ε紊流模型以及泥沙的運(yùn)動(dòng)模型，同時(shí)結(jié)合控制方程構(gòu)建計(jì)算模型。然后選取實(shí)例進(jìn)行水流特性的三維數(shù)值模擬并分析計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析得到了不同整治航道不同河段的水流運(yùn)動(dòng)特性，為日后的航道整治活動(dòng)研究提供了參考。

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