角錐體位置對(duì)水流交匯區(qū)流場(chǎng)影響的試驗(yàn)研究

王丹薇

（朝陽(yáng)市閻王鼻子水庫(kù)工程建設(shè)管理局，遼寧 朝陽(yáng) 122000）

0 引言

我國(guó)具有較為豐富的河流資源， 這些遍布全國(guó)各地的大小河流在給人們的生活提供便利的同時(shí)，也造成了洪澇災(zāi)害的高發(fā)和頻發(fā)。 因此，科學(xué)、有效的河道治理一直是水力學(xué)研究的重點(diǎn)問(wèn)題。大多數(shù)天然河道均具有蜿蜒、 彎曲的平面分布形態(tài)，在河流的彎道和交匯部位，水流將出現(xiàn)水面橫比降、二次環(huán)流等復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象[1]。 同時(shí)，天然河流的流動(dòng)都屬于紊流狀態(tài)， 紊流本身是與流體的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)的，在復(fù)雜的水流結(jié)構(gòu)條件下，紊流本身的各向異性將體現(xiàn)出來(lái)[2]。 其中，河流的交匯點(diǎn)作為水系連接的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，水流紊動(dòng)摻混劇烈，且支流的匯入也會(huì)對(duì)河道主流產(chǎn)生擠壓作用，這不僅會(huì)在匯入口下游的支流測(cè)產(chǎn)生回流渦旋區(qū)，還會(huì)在另一側(cè)產(chǎn)生流速較大區(qū)， 對(duì)河床及堤岸產(chǎn)生比較嚴(yán)重的沖刷[3]。 因此，在交匯河道的設(shè)置一定的護(hù)岸工程，就顯得尤為必要。 在護(hù)岸工程建設(shè)領(lǐng)域，主要有超高法、丁壩以及調(diào)整池等。 上述方法各有優(yōu)劣，往往需要結(jié)合使用，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[4]。

為了進(jìn)一步豐富和優(yōu)化彎道和交匯部位水流流態(tài)改善的工程技術(shù)手段， 諸多學(xué)者提出了一系列創(chuàng)新性的工程技術(shù)手段。 其中，角錐體就是近年來(lái)水利工程界提出的改善彎道水流的重要工程技術(shù)手段，并取得了良好的工程應(yīng)用效果。 但是，目前關(guān)于將角錐體應(yīng)用于水流交匯區(qū)的研究和實(shí)踐幾乎沒(méi)有。 在此背景下，此次研究利用室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討角錐體對(duì)交匯區(qū)水流流態(tài)的改善作用。

1 研究區(qū)域

T 型河道交匯口在實(shí)際工程中經(jīng)常遇到，在這一交匯口處常要解決好以下幾個(gè)問(wèn)題：沖刷問(wèn)題、淤積問(wèn)題、航行安全問(wèn)題等，加上水位、水流流向等使這一問(wèn)題更為復(fù)雜。 結(jié)合南水北調(diào)東線(xiàn)輔助工程泰州引江河配套項(xiàng)目——送水河與南官河交匯口模型試驗(yàn)研究來(lái)探討這一問(wèn)題。 送水河位于泰州市境內(nèi)，西端起于高港樞紐，東到合樂(lè)村與南官河交匯，交匯角為48°，全長(zhǎng)1 860m，它具有引排雙向功能（見(jiàn)圖1）。在干旱年份，用水高峰期，將高港抽水站調(diào)尾，抽引江水100m3/s，經(jīng)過(guò)送水河入南官河，送水到通南高沙腹地，可提高通南地區(qū)灌溉標(biāo)準(zhǔn)。 此次研究以上述工程為背景，選擇交匯口上游200m，下游100m 為研究區(qū)域，利用模型試驗(yàn)的方式探討丁壩對(duì)交匯區(qū)流場(chǎng)的實(shí)際影響。

2 研究方法

通過(guò)在支流匯入岸的對(duì)岸側(cè)建立丁壩的方式， 一方面利用丁壩回流區(qū)內(nèi)流速較小可以對(duì)堤岸起到一定保護(hù)作用， 另一方面利用丁壩的挑流作用對(duì)水流交匯區(qū)的水流結(jié)構(gòu)加以改善， 具有一定的創(chuàng)新性， 同時(shí)還可以為工程實(shí)際提供一定的理論依據(jù)。

2.1 方案設(shè)計(jì)

此次研究在主流和支流的來(lái)流條件以及角錐體尺寸不變的情況下進(jìn)行， 主要通過(guò)改變角錐體的設(shè)置位置，研究其對(duì)交匯處水流流態(tài)的影響。

基于上述思路， 確定角錐體和交匯斷面之間的距離L 作為確定角錐體位置的主要變量。 結(jié)合模型尺寸以及角錐體對(duì)彎道水流影響的相關(guān)研究成果，確定L 的4 個(gè)不同取值，分別為0cm、30cm、60cm 和90cm，同時(shí)將不設(shè)置角錐體的方案作為對(duì)比方案。 具體的試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)表

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

此次研究以上述工程背景參考， 按照幾何比尺1:100 進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕伤h(huán)系統(tǒng)、 流量調(diào)控系統(tǒng)、 測(cè)量?jī)x器和其他設(shè)備構(gòu)成。 其中，交匯水槽為概化模型，主槽和支槽的交匯角為90°，其中主槽長(zhǎng)6m、寬0.6m，支槽長(zhǎng)2m、寬0.2m，高度均為0.3m。 角錐體為三棱錐體結(jié)構(gòu)，其四個(gè)面中有兩個(gè)面臨空，一個(gè)面與河岸貼合，其臨空面又包括與上游來(lái)流方向呈一定夾角的面，以及一個(gè)下游端面，結(jié)合試驗(yàn)水槽的尺寸，其長(zhǎng)度設(shè)定為10cm，高度為5cm。水槽模型的平面布置示意圖如圖1 所示。

圖1 水槽布置平面圖

模型采用有機(jī)玻璃制作， 在主槽和支槽的入口部位分別設(shè)置一道欄柵， 防止污染物對(duì)水流的干擾[6]。 模型的采用循環(huán)式供水系統(tǒng)，主要包括水箱和水泵兩大部件。 其中，水泵為額定流量30m3/h的潛水泵； 水箱為1.5m×0.8m×0.5m 的矩形水箱，其中設(shè)有隔板和流量調(diào)節(jié)板， 可以實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，使水流能夠按照設(shè)定的流量平穩(wěn)進(jìn)入水槽。

水流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主要受到重力和粘滯力的影響，鑒于水槽水流的雷諾數(shù)（一種可用來(lái)表征流體流動(dòng)情況的無(wú)量綱數(shù)。 Re=ρvd/μ，其中v、ρ、μ 分別為流體的流速、 密度與黏性系數(shù)，d 為特征長(zhǎng)度。 ）明顯大于臨界雷諾數(shù)，因此重力對(duì)水流的影響明顯大于粘滯力的影響。 基于此，此次研究中遵循重力相似性原則建立試驗(yàn)水槽[5]。 一般來(lái)說(shuō)，河道的底坡坡降并不大， 此次研究中的底坡選擇為0.000 5。

2.3 測(cè)試方法

由于三角形堰具有比矩形堰更高的測(cè)量精度，同時(shí)本次試驗(yàn)的流量相對(duì)較小，因此采用三角形薄壁堰進(jìn)行試驗(yàn)中的流量測(cè)定[7]。 其使用的流量公式如下：

式中，Q 為流量，m3/s；H 為堰上水頭，m；θ 為三角堰的角度，°；g 為重力加速度，m/s2。

試驗(yàn)過(guò)程中的水深和水面線(xiàn)利用鋼尺進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量5 次，以5 次測(cè)量數(shù)據(jù)的均值作為該測(cè)點(diǎn)的水深數(shù)據(jù)的最終試驗(yàn)結(jié)果。 試驗(yàn)中設(shè)置3 個(gè)測(cè)量斷面，測(cè)量斷面與主槽水流方向平行，與交匯口另一側(cè)的距離分別為10cm、30cm 和50cm，分別觀測(cè)角錐體部位，水槽中線(xiàn)和匯入口同側(cè)回旋區(qū)的水流流態(tài)和參數(shù)。

2.4 儀器與設(shè)備

試驗(yàn)中的流速測(cè)量主要采用ADV 超聲流速儀，該儀器主要由測(cè)量探頭，信號(hào)調(diào)理和信號(hào)處理模塊構(gòu)成， 可以兼測(cè)二維和三維流速， 其測(cè)量范圍為0.001—4.5m/s。 在試驗(yàn)過(guò)程中，為了減小測(cè)量誤差，探頭需要保持和測(cè)繩垂直； 該儀器生成的數(shù)據(jù)文件為文本文件，便于后續(xù)利用Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[8]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 流速分布

根據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn)，在明渠交匯流中0.6 倍水深部位的流速和垂線(xiàn)平均流速基本相等。 因此，在試驗(yàn)中提取該部位與交匯口另一側(cè)的距離分別為10cm 處的流速試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 繪制出如圖2 所示的流速分布曲線(xiàn)。 由圖2 可以看出，在沒(méi)有設(shè)置角錐體的條件下， 支流的匯入會(huì)使異側(cè)流速值明顯增大，在50cm 部位達(dá)到最大值，為0.37m/s 左右，最后呈現(xiàn)出逐漸減小并趨于平穩(wěn)的變化態(tài)勢(shì)。在布置角錐體的各個(gè)方案下，流速的最大值明顯偏小，說(shuō)明布置角錐體對(duì)控制流速具有明顯的作用。 同時(shí)，在布置角錐體之后， 水流交匯區(qū)的流速變化更為復(fù)雜，角錐體前后的流速明顯下降。從不同方案的對(duì)比來(lái)看， 工況3 的流速降幅最大， 其流速的最大值為0.22m/s。由此可見(jiàn)，從保護(hù)河床和堤岸的角度來(lái)看，工況3 的位置設(shè)置可以發(fā)揮出最佳的保護(hù)效果。

圖2 典型斷面流速分布曲線(xiàn)

3.2 分離區(qū)和壩后回流區(qū)特征

支流匯入主流之后， 會(huì)在交匯口的下游產(chǎn)生分離區(qū)，其內(nèi)部的紊動(dòng)作用較為劇烈，流速相對(duì)較低。 在對(duì)岸設(shè)置角錐體之后，會(huì)在角錐體后形成回流區(qū)，回流區(qū)內(nèi)的水流流速相對(duì)較小，可以起到一定的堤岸保護(hù)作用[9]。 因此，研究分離區(qū)和回流區(qū)的幾何特征，具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

根據(jù)試驗(yàn)中測(cè)量的數(shù)據(jù)， 總結(jié)出不同工況下分離區(qū)和回流區(qū)的幾何特征，結(jié)果如表2 所示。 由表2 可知，除了工況2 外，其余角錐體設(shè)置工況的分離區(qū)長(zhǎng)度和寬度與沒(méi)有設(shè)置角錐體的工況1 相比均有明顯減小。 由此可見(jiàn)，設(shè)置角錐體可以有效減小分離區(qū)的長(zhǎng)度和寬度。 由于分離區(qū)長(zhǎng)度和寬度的減小，分離區(qū)的面積大為縮小，這對(duì)于改善交匯處的水流流態(tài)具有重要作用。 從不同設(shè)置位置方案的對(duì)比來(lái)看，工況3 的回流區(qū)面積最小，效果最佳。 從回流區(qū)的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)看，也呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，隨著角錐體與交匯斷面距離的增加，回流區(qū)的面積呈現(xiàn)出先增加后減小的變化特點(diǎn)，工況3 的回流區(qū)范圍最大， 可以取得對(duì)河床和堤岸的最佳防護(hù)效果。

表2 分離區(qū)和回流區(qū)幾何特征

3.3 紊流耗散率

紊流在空間上存在隨機(jī)漲落， 從而形成比較顯著的速度梯度， 并在分子粘滯力的作用下通過(guò)內(nèi)摩擦不斷將紊流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，從而達(dá)到降低流速、改善流態(tài)的重要作用[10]。

研究中基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 對(duì)不同試驗(yàn)方案下的紊流耗散率進(jìn)行計(jì)算， 從計(jì)算結(jié)果中提取其最大值和存在的部位，結(jié)果如表3 所示。 由表3 可以看出，在所有5 種計(jì)算工況下，紊流耗散率的最大值均出現(xiàn)為交匯口下游分離區(qū)的外側(cè)， 說(shuō)明該部位存在較強(qiáng)的水流穩(wěn)定作用。 由于匯入水流和主流在此部位的紊動(dòng)作用比較強(qiáng)烈， 紊流耗散率也相對(duì)較大。 從不同試驗(yàn)工況的結(jié)果對(duì)比來(lái)看，設(shè)置角錐體的4 種方案的紊流耗散率明顯偏大， 說(shuō)明設(shè)置角錐體具有顯著的工程價(jià)值。 同時(shí)，紊流耗散率最大的是方案3，說(shuō)明該方案為最優(yōu)方案。

表3 紊流耗散率計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

此次研究通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)的方法， 探討了在交匯水流條件下角錐體的設(shè)置部位對(duì)交匯區(qū)流場(chǎng)的具體影響。 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，設(shè)置角錐體可以起到良好的交匯區(qū)流場(chǎng)改善作用， 說(shuō)明其具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。 同時(shí)，此次研究獲得了角錐體的最佳布置位置， 對(duì)其在實(shí)際工程中的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。 當(dāng)然，此次研究受制于時(shí)間和成本等諸多因素的制約， 并沒(méi)有對(duì)角錐體的幾何尺寸及設(shè)置數(shù)量的影響開(kāi)展進(jìn)一步的研究， 這也是今后研究的主要方向及應(yīng)該解決的主要問(wèn)題。 通過(guò)上述兩方面的研究，可以獲得最佳設(shè)置方案，為工程應(yīng)用提供更有力的支持和借鑒。 □