一字導(dǎo)流墩對彎道岔河進(jìn)流調(diào)整的研究

于佳敏，陸偉剛，奚 望，周秉南

（揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，揚州 225009）

0 引 言

彎道岔河是天然河流及人工河槽的重要組成部分，彎道岔河水流相互交匯廣泛存在于很多水力系統(tǒng)中，在交匯處水力特性受交匯口形狀、交匯角度和雷諾數(shù)等因素影響會產(chǎn)生復(fù)雜的流體運動模式，不僅會影響彎道岔流流場的穩(wěn)定還會影響彎道岔河附近過流建筑物的安全，因此，研究彎道岔河水力特性具有重要的理論和實際意義。目前國內(nèi)外學(xué)者針對彎道岔河進(jìn)行了大量研究：胥宗強(qiáng)［1］針對順直明渠交匯水槽，采用大渦模型模擬了交匯區(qū)的湍流流場，并結(jié)合Werner壁面函數(shù)法求解近壁區(qū)流動，發(fā)現(xiàn)交匯口的三維幾何特性與流場結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性；魏文禮［2］采用大渦模擬方法對交匯水流水力特性進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明：在整體上交匯角度越大，交匯口各特征橫斷面流速不均勻系數(shù)越大，即水流流速分布越不均勻。茅澤育［3］利用五孔測球?qū)粎R口流場、速度大小、方向以及測點壓強(qiáng)進(jìn)行了測量，對明渠交匯口三維水力特性進(jìn)行了試驗研究。張挺［4］采用k-ω 紊流模型對90°明渠交匯口三維流場進(jìn)行模擬，成功捕捉到了交匯口水面變化及二次流等主要水流特性，結(jié)果表明隨流量比的增加支渠入口水流偏轉(zhuǎn)角逐漸增加。周舟［5］得出同一流量比工況下，交匯角增大，交匯口附近水面變幅增大；同一交匯角度工況下，流量比增大，交匯口附近水面變幅減小的結(jié)論。Mosley M P［6］通過采用自然河工物理模型，分析研究了“Y”型匯流水域的水沙問題，認(rèn)為干支流的交匯角以及水流速度比對交匯河段的水流結(jié)構(gòu)以及河床地形發(fā)展情況具有重要的控制作用。N Rivière G［7］說明了在給定入口流量和出口條件下的某種形式的水位流量關(guān)系的情況下，如何使用得到的方程組計算任何類似交叉口的流量分布。馮鏡潔［8］采用k-ε 雙方程模型模擬流場，選用VOF 模型模擬自由面，依據(jù)物理實驗條件對交匯式河流進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，研究表明在匯口下游主流右側(cè)出現(xiàn)分離區(qū)，分離區(qū)的形狀隨著入?yún)R角的減小而變得狹長，分離區(qū)的尺寸隨著入?yún)R角度和匯流比的增大而增大。M Leite Ribeiro［9］通過研究瑞士羅納河上游匯合處的三維速度場、湍流等提出了水-形態(tài)-沉積過程的概念模型，并與現(xiàn)有的不同特征匯合流概念模型進(jìn)行了比較。Hao Luo［10］提出了一種改進(jìn)的一維非線性動力學(xué)模型，分析不同控制條件下匯流流體動力學(xué)和三維紊流結(jié)構(gòu)的變化。趙振江［11］研究結(jié)果表明隔墩的布置可少量提升葉輪進(jìn)口流速均勻度，改善進(jìn)水流道兩側(cè)流速較低情況。周珊珊［12］得出無整流措施時進(jìn)水池內(nèi)出現(xiàn)不良流態(tài)；當(dāng)布置了導(dǎo)流墩，可以很好地改善進(jìn)水池內(nèi)的不良流態(tài)從而進(jìn)一步改善水泵的進(jìn)水條件。向遷卿［13］采用試驗方法研究了墩頭為半圓形的中隔墩在不同水頭下的流量系數(shù)，并與無中隔墩情況進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明中隔墩對泄流能力的影響可用側(cè)收縮系數(shù)反映。周楊［14］實驗表明隔墩在側(cè)向進(jìn)水間整流具有一定效果，能改善水流流態(tài)。馮倜倜［15］實驗表明多組偏斜導(dǎo)流墩可以改善某側(cè)向進(jìn)水泵站前池內(nèi)存在的漩渦、偏流等不良流態(tài)。以上彎道岔河研究對象大多為人工河渠，但天然三岔河口復(fù)雜多變、無明顯交匯角，往往需要就實際情況進(jìn)行分析研究，且上述研究表明一字導(dǎo)流墩對水流具有一定的整流效果。為了研究一字導(dǎo)流墩對岔河流態(tài)的調(diào)整效果，本文以彎道岔河進(jìn)流的銅城閘為研究對象，為了改善其復(fù)雜的進(jìn)流條件，使用一字導(dǎo)流墩對其流態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以流速矢量和閘墩方向之間的夾角建立指標(biāo)，從而對一字導(dǎo)流墩調(diào)整效果進(jìn)行了評價，利用明渠面層數(shù)字粒子圖像測速（DPIV）系統(tǒng)測得其流場參數(shù)，同時采用FLUENT 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，再利用Tecplot 進(jìn)行后處理。得出不同位置一字導(dǎo)流墩整流措施下的進(jìn)水流態(tài)再進(jìn)行分析對比，為改善彎道岔河進(jìn)流調(diào)整提供可借鑒的方案。

1 試驗方法

1.1 物模試驗

銅城閘共11 孔，每孔寬8 m，河道寬度在150～300 m 左右。模型總體布置見圖1（a），為了保證模型水流在阻力平方區(qū)，模型有滿足要求的水深，同時根據(jù)試驗大廳場地以及試驗主要目的，考慮采用1∶60比尺的正態(tài)模型。又因為本工程水流含沙量小，河床變化小，所以綜合考慮模型采用定床正態(tài)河工模型。試驗通過流量計及閥門控制模型進(jìn)水流量，通過閘門和下游出水口疊梁式溢水板調(diào)節(jié)水位。當(dāng)流量、水位穩(wěn)定后采集流場數(shù)據(jù)。流量采用LDY-250S一體型電磁流量計和直角三角堰測量相互校核；水位采用WYG-Ⅲ型無線測控智能水位儀以及測壓管、標(biāo)尺互校測量；模型面層流態(tài)采用DPIV 技術(shù)，待水流穩(wěn)定后在水面均勻地灑塑料懸浮粒子來觀察面層流態(tài)，同時采用延時曝光的方式利用相機(jī)記錄面層流場情況；底層流場采用紅色化學(xué)試劑示蹤法顯示其流場，以便較好觀察流態(tài)，具體物理模型試驗見圖1（b），流場測試見圖1（c）。

圖1 物模試驗Fig.1 Model test

1.2 數(shù)模模擬

1.2.1 計算方程及網(wǎng)格劃分

以連續(xù)方程和雷諾時均方程作為基本控制方程。連續(xù)性方程為：

雷諾方程為：

在Fluent求解器中采用標(biāo)準(zhǔn)k - ε湍流模型和SIMPLE算法作為軟件計算的湍流模型和基本算法［16］。標(biāo)準(zhǔn)k - ε 模型的輸運方程中的k方程為：

ε方程：

式中：k 為紊動能；ε 為紊動耗散率；ui為速度分量；xi為坐標(biāo)分量；ρ 水的密度；μt為紊動黏度系數(shù)；Gk為由層流梯度產(chǎn)生的湍流動能；Gp為由浮力產(chǎn)生的湍流動能；YM為在可壓縮湍流中，過渡擴(kuò)散的波動；C1ε、C2ε、C3ε均為常量；Sk、Sε均為自定義。

采用UG12.0建立河道幾何模型。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，提取上游后河水位，結(jié)合物理模型對不同水位下后河進(jìn)行模型建立以及網(wǎng)格劃分，以彎道上游的進(jìn)水?dāng)嗝鏋橛嬎阌虻牧魉龠M(jìn)口邊界，彎道下游和下游岔河為計算域的自由出口邊界，每個出口采用靜壓邊界條件，壓力值設(shè)為1 atm。水位變化不大，采用對稱邊界處理。除了進(jìn)出口、自由水面，其余部分均為固體壁面。計算步數(shù)為1 000 步，收斂精度為10-6。本文以6 個不同水位進(jìn)行觀測確定彎道上游進(jìn)口水位、流量，見表1，并對這6種工況流場進(jìn)行模擬。

表1 不同網(wǎng)格劃分下的水位和流量Tab.1 Water level and flow under different grids

1.2.2 方案設(shè)計

一字導(dǎo)流墩不同布置位置見圖2（a），具體尺寸見圖2（b），不同布置位置方案見表2。每個導(dǎo)流墩布置都順?biāo)鞣较颉?/p>

圖2 一字導(dǎo)流墩位置布置和尺寸Fig.2 Layout position and size of linear shaped pier

表2 一字導(dǎo)流墩不同布置位置方案Tab.2 Different layout positions for linear shaped pier

1.3 確定研究指標(biāo)

為進(jìn)一步量化和評價進(jìn)閘流態(tài)，采用進(jìn)閘水流與閘墩方向之間的最大夾角θmax、平均夾角、偏轉(zhuǎn)系數(shù)θ1和θ2這4 個指標(biāo)來評價進(jìn)流流態(tài)平順程度，其中；

式中：v1為進(jìn)閘流速矢量，m/s；v2為閘墩方向流速矢量，m/s。偏轉(zhuǎn)系數(shù)θ1、θ2越接近于1，夾角越大，說明進(jìn)流流態(tài)較差；反之偏轉(zhuǎn)系數(shù)越接近于0，夾角越小，說明進(jìn)流流態(tài)較好。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 原始工況分析

6 種不同工況：H=10、H=10.75、H=10.9、H=10.1、H=6.6、H=10.5 m 分別用序號a～f 表示。6 種不同工況在數(shù)學(xué)模型下，流速云圖如圖3 所示，從這6 種工況中選擇流態(tài)最為復(fù)雜的情況作為研究對象，下文就以此最差流態(tài)作為基礎(chǔ)再在不同位置加入一字導(dǎo)流墩，研究其對彎道岔河進(jìn)流的影響。

由圖3 中6 種不同原始工況流速云圖可以看出，岔口的水流在經(jīng)過彎道時受到離心力的作用會沖積下游凹岸和上游外側(cè)堤岸，所以彎道下游流速偏大，而且進(jìn)入銅城閘的部分水流由于慣性力沖擊水閘閘墩以及翼墻的右前側(cè)后不能及時調(diào)整會出現(xiàn)較大的偏角，從而造成閘前流態(tài)紊亂。工況b（即水位H=10.75 m）閘前有大范圍的低速區(qū)，且大范圍的低速區(qū)對于附近流速區(qū)梯度變化很大；工況b中閘前有大范圍旋渦，同時閘兩側(cè)均出現(xiàn)明顯的近岸旋渦，所以說明工況b進(jìn)閘流態(tài)最差。

圖3 6種原始工況流速云圖Fig.3 Flow velocity cloud map of six original working conditions

為了更好地驗證數(shù)學(xué)模型，在物理模型中調(diào)節(jié)H=10.75 m水位，觀察此水位條件下面層流場流態(tài)，流速矢量圖見圖4（a），流速云圖見圖4（b），發(fā)現(xiàn)此水位面層流態(tài)很差。所以本文選取工況b組合（H=10.75 m，流量1 140 m3/s）做進(jìn)一步研究。

圖4 工況b條件下流速矢量圖和流速云圖Fig.4 Flow velocity vector diagram and flow velocity cloud diagram under working condition b

2.2 一字導(dǎo)流墩整流分析

2.2.1 閘前設(shè)置一字導(dǎo)流墩

通過物理模型試驗和數(shù)值模擬運算選出在閘前布置一字導(dǎo)流墩流態(tài)較好的4 個方案［方案（4）、（5）、（9）、（6）］，這4 個方案流速云圖分別如圖5所示。

由圖5（a）可見，進(jìn)入閘前的水流受一字導(dǎo)流墩影響，水流方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致進(jìn)入閘左側(cè)的流速較大并使得閘右側(cè)翼墻附近的旋渦更明顯。由圖5（b）可見，彎道凸岸有旋渦的形成，凹岸有大面積的低流速區(qū)，流速偏轉(zhuǎn)進(jìn)而影響閘前流態(tài)。由圖5（c）可見，進(jìn)閘水流與閘墩方向之間的夾角較大，水流受一字導(dǎo)流墩作用進(jìn)入彎道，流線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致閘前水流不平順，所以在閘右側(cè)流線上設(shè)置一字導(dǎo)流墩不能很好地改善進(jìn)流流態(tài)。圖5（d）中的閘前流態(tài)較原始流態(tài)更加平順，但是水流進(jìn)入彎道后形成大范圍低速旋渦，流線急劇偏轉(zhuǎn)，雖然閘前流態(tài)改善明顯但是彎道流態(tài)仍舊很差。從圖5（a）、（b）可以看出，在此位置放置一字導(dǎo)流墩，閘前水流流線更加紊亂，而且進(jìn)閘水流與閘墩方向之間的夾角較大。從圖5（c）、（d）可以看出，在離閘較遠(yuǎn)位置放置一字導(dǎo)流墩對閘前流態(tài)可以很好的改善但是不能改善彎道流態(tài)。由圖5 可得出，在閘前近距離放置一字導(dǎo)流墩會使進(jìn)入閘左側(cè)的流速較大，且隨著一字導(dǎo)流墩逐漸遠(yuǎn)離閘，閘前的流態(tài)會越平順，所以這四個方案，方案（6）較其他3個方案對閘前進(jìn)流流態(tài)改善最明顯。

圖5 閘前設(shè)置一字導(dǎo)流墩流速云圖Fig.5 The flow velocity cloud map of the linear shaped pier set in front of the gate

2.2.2 彎道處設(shè)置一字導(dǎo)流墩

通過物理模型試驗和數(shù)值模擬運算選出流態(tài)較好的4個方案［方案（15）、（13）、（14）、（12）］，這4個方案流速云圖分別如圖6所示。

圖6 彎道處設(shè)置一字導(dǎo)流墩流速云圖Fig.6 The flow velocity cloud map of the linear shaped pier set at the bend

由圖6（a）可見，一字導(dǎo)流墩設(shè)置在彎道下游，閘前流態(tài)沒有受到調(diào)整，彎道內(nèi)水流流線依舊雜亂，進(jìn)流調(diào)整效果不理想。由圖6（b）可見，在彎道中心線上設(shè)置一字導(dǎo)流墩，彎道內(nèi)水流較平順，但由于一字導(dǎo)流墩的整流作用，導(dǎo)致閘前水流受到彎道水流拉扯，閘前左右兩側(cè)進(jìn)閘水流與閘墩方向之間的夾角較大而且閘前低速區(qū)較大，這對水閘造成了很大的不利影響，形成很大的安全隱患。由圖6（c）可見，一字導(dǎo)流墩被設(shè)置靠近外側(cè)凹岸，此時彎道內(nèi)側(cè)凸岸出現(xiàn)大范圍渦旋及低流速區(qū)，進(jìn)閘水流仍然受到彎道水流拉扯，閘前有多個低流速區(qū)而且閘前水流與閘墩方向之間的夾角較大，進(jìn)流較亂。由圖6（d）可見，一字導(dǎo)流墩被設(shè)置靠近內(nèi)側(cè)凸岸，彎道水流較為平順，進(jìn)閘水流與閘墩方向之間的夾角小部分偏大，大部分偏轉(zhuǎn)角幾乎為零，說明進(jìn)流流態(tài)較平順。雖然圖6（d）閘前有低流速區(qū)，但比圖6（b）、（c）縮小很多，而且進(jìn)閘流速矢量與閘墩方向之間的夾角基本一致，所以這四個方案，方案（12）對閘前和彎道的綜合調(diào)整效果最好。

對比圖5（d）和圖6（d）可得，圖5（d）雖然閘前流態(tài)改善明顯但是彎道流態(tài)仍舊很差，但是圖6（d）對閘前和彎道處水流均有較好的調(diào)整效果，所以圖6（d）較圖5（d）調(diào)整效果好，即方案（12）效果最好。在其他工況（即H=10、H=10.9、H=10.1、H=6.6、H=10.5）下，通過數(shù)值模擬計算也是在彎道中心線上離內(nèi)側(cè)凸岸20 m 處設(shè)置一字導(dǎo)流墩對閘前水流和彎道岔口處水流調(diào)整效果最好。

2.2.3 調(diào)整前后流態(tài)分析

原始工況H=10.75 m流態(tài)云圖和底層流場圖，見圖7（a）；在彎道中心線上離內(nèi)側(cè)凸岸20 m 處設(shè)置一字導(dǎo)流墩流速云圖和底層流場圖，見圖7（b）。

圖7 調(diào)整前后流態(tài)云圖和底層流場圖Fig.7 Before and after adjustment，the cloud map of the flow state and the underlying flow field map

對比調(diào)整前后流態(tài)云圖和底層流場圖可得，后者彎道水流較為平順，進(jìn)閘水流與閘墩方向之間的夾角也偏小，說明加入一字導(dǎo)流墩調(diào)整后進(jìn)流流態(tài)較平順；而且加入一字導(dǎo)流墩調(diào)整后，閘前低速區(qū)對于附近流速區(qū)梯度變化減小很多，說明有利緩解閘前有大范圍旋渦的問題。所以在彎道中心線上離內(nèi)側(cè)凸岸20 m 處設(shè)置一字導(dǎo)流墩可以很好調(diào)整閘前和彎道岔口處水流流態(tài)，可用于工程實際。

2.2.4 進(jìn)閘流速矢量與閘墩方向之間夾角的分析

進(jìn)閘水流與閘墩方向之間的最大夾角θmax、平均夾角-θ、偏轉(zhuǎn)系數(shù)θ1和θ2可以定量評價進(jìn)閘流態(tài)平順程度，其中平均夾角-θ 越小，說明整體水流流態(tài)更加平順；偏轉(zhuǎn)系數(shù)θ1、θ2越接近于1，則夾角越大，說明進(jìn)流流態(tài)較差；反之偏轉(zhuǎn)系數(shù)越接近于0，夾角越小，說明進(jìn)流流態(tài)較好。通過計算分析上述閘前、彎道處8 種方案得出其最大夾角θmax、平均夾角-θ、偏轉(zhuǎn)系數(shù)θ1和θ2，見表3。

表3 每個方案最大夾角、平均夾角和偏轉(zhuǎn)系數(shù)Tab.3 Maximum Angle，average Angle and deflection coefficient of each scheme

通過對比發(fā)現(xiàn)，上述8 種方案的進(jìn)閘水流與閘墩方向之間的最大夾角θmax分別減少了11.7%、29.4%、58.8%、11.7%、23.5%、64.7%、64.7%、41.2%；平均夾角-θ 除了方案4 增加27.5%，其他方案分別減少了17.5%、43.7%、8.7%、71.2%、62.5%、57.5%、18.7%；偏轉(zhuǎn)系數(shù)θ1分別減少了5.5%、27.8%、5.5%、55.6%、11.1%、61.1%、61.1%、38.9%；偏轉(zhuǎn)系數(shù)θ2除了方案4 增加28.4%，其他方案分別減少了17.0%、7.9%、43.2%、18.2%、62.5%、57.9%、71.6%；可見除了方案4，其他方案對進(jìn)入閘的水流流態(tài)都有改善。由上表可見，一字導(dǎo)流墩距離閘越近最大夾角越大，而且平均夾角也越大，說明一字導(dǎo)流墩布置的位置距離閘越近，進(jìn)入閘的水流流態(tài)越紊亂。在彎道中心線上布置一字導(dǎo)流墩最大夾角和平均夾角均小于在彎道中心線兩側(cè)布置一字導(dǎo)流墩。說明在彎道中心線布置一字導(dǎo)流墩比在兩側(cè)布置對進(jìn)入閘的水流流態(tài)改善更好。方案12 偏轉(zhuǎn)系數(shù)θ2低至0.025，最接近0，明顯小于其他方案，說明方案12的進(jìn)閘水流整體上是最平順、對閘影響是最小的。雖然方案12最大夾角較大，但是平均夾角是最小的，說明方案12 進(jìn)閘水流整體上更加平順，結(jié)合上文的流速云圖，方案12 進(jìn)入三汊河的分流流速也有所減小，則對河道和河堤的沖刷也有所減小。綜上，在彎道中心線上距離內(nèi)側(cè)凸岸20 m 處布置一字導(dǎo)流墩對閘前和彎道流態(tài)有明顯的改善效果。

3 結(jié) 論

針對彎道岔河進(jìn)流流態(tài)，本文采用銅城閘物理模型實驗，并結(jié)合數(shù)值模擬來研究不同位置處設(shè)置一字導(dǎo)流墩對彎道岔河進(jìn)流的影響，所得結(jié)果能較好地反映彎道岔河進(jìn)流流態(tài)。本文以一字導(dǎo)流墩放置的不同位置為變量，對彎道岔河進(jìn)流進(jìn)行了詳細(xì)的分析，所得主要結(jié)論如下：

（1）偏轉(zhuǎn)系數(shù)可以被用來直接評價進(jìn)流流態(tài)的優(yōu)劣，偏轉(zhuǎn)系數(shù)越接近于1，夾角越大，說明進(jìn)流流態(tài)較差；反之偏轉(zhuǎn)系數(shù)越接近于0，夾角越小，說明進(jìn)流流態(tài)較好。

（2）閘前設(shè)置一字導(dǎo)流墩，隨著其位置距離閘越遠(yuǎn)，閘前的流態(tài)會越平順；其位置離閘越近，偏轉(zhuǎn)系數(shù)越大。雖然對閘前流態(tài)有明顯的改善，但是對彎道處流態(tài)改善效果較差。

（3）在彎道岔口處設(shè)置一字導(dǎo)流墩可以明顯的改善彎道處的旋渦，在彎道中心線上離凸岸20 m 處布置一字導(dǎo)流墩，彎道和閘前流態(tài)均受到明顯的改善。