30°分水角明渠水流紊動特性試驗研究

程 勇,王文娥,胡明宇,凌 剛,胡笑濤

(西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室,陜西 楊凌 712100)

灌區(qū)輸配水多采用主渠與支渠軸線垂直布置,具有占地面積小、渠系建筑物結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點,但灌區(qū)運行結(jié)果發(fā)現(xiàn),分水口附近區(qū)域出現(xiàn)沖刷、淤積及結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象[1- 2],原因是渠道側(cè)向分流形成彎道水流,環(huán)流及螺旋流等流速急劇變化引起水流結(jié)構(gòu)紊亂,導致局部泥沙淤積和沖刷現(xiàn)象,也造成分水口兩側(cè)受力不平衡,影響渠道正常運行及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。水流紊動是影響泥沙運移和邊壁侵蝕與崩塌的主要因素[3- 4],因此研究分水口區(qū)域水流紊動特性對渠系規(guī)劃設(shè)計及穩(wěn)定運行具有重要意義。

天然河道水流紊動特性與沖刷關(guān)系研究較多,學者們通過原型測量、物理模型和數(shù)值模擬等方法對河道水流結(jié)構(gòu)進行分析[5- 7]。河道形態(tài)是影響水流結(jié)構(gòu)的重要因素,常見的有順直型、彎曲型等。對順直型河道研究發(fā)現(xiàn)，過流寬度的束窄、擴散直接影響床面形態(tài)變化及泥沙顆粒運移和沉積[8]；來流量與水流分離區(qū)長度呈正相關(guān)、床面剪切應力最大值出現(xiàn)在收縮段入口區(qū)域[9]；擴散段側(cè)壁侵蝕嚴重,易引起河道拓寬[10]；環(huán)流強度分布規(guī)律與渦旋發(fā)展密切相關(guān),河床阻力會加快近床區(qū)域渦旋的消散[11]。對彎曲型河道研究發(fā)現(xiàn)，彎道環(huán)流是泥沙顆粒橫向運動的主要動力,環(huán)流的發(fā)展和形式與彎曲率密切相關(guān),環(huán)流區(qū)域內(nèi)部紊動強度較小[12- 13]；近壁區(qū)流速變化直接影響河岸侵蝕速率[14],紊流運動和渦旋對局部沖刷有影響[15]。這些研究表明環(huán)流強度、紊動強度、紊動能和剪切應力等因素與河道沖刷關(guān)系密切。灌區(qū)渠系分水口附近水流結(jié)構(gòu)對渠道沖刷研究成果較少,尚需進一步研究。

河道穩(wěn)定的多泥沙河流分流處,支流與主河道軸線夾角多小于45°,著名的都江堰水利工程分流處內(nèi)江與外江夾角約為30°,本文以30°分水角明渠為研究對象,探索分水口附近水流紊動特性,可為灌區(qū)渠道設(shè)計及運行提供參考。

1 試驗概況

1.1 水槽系統(tǒng)

試驗在西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室進行,試驗系統(tǒng)由供水系統(tǒng)、變坡升降系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能控制終端、試驗水槽和回水系統(tǒng)組成。其中，供水系統(tǒng)包括變頻柜、變頻水泵、電磁流量計等,可以根據(jù)設(shè)定目標流量自動調(diào)節(jié)變頻器頻率,精準控制渠道流量。變坡升降系統(tǒng)由伸縮液壓缸、儲油槽、升降器等組成,渠道坡度調(diào)節(jié)控制精度±0.1 mm。試驗水槽布置如圖1所示,主渠道長1 800 cm,寬80 cm,深50 cm；側(cè)渠道長500 cm,寬40 cm,深35 cm,均為矩形渠道；側(cè)渠底部高程高于主渠底部高程,形成堰坎,高為6 cm；主渠道與側(cè)渠道中軸線夾角為30°,主渠道與側(cè)渠道坡降均為0.000 5。將坐標原點設(shè)置在主渠道進水口底部,x方向為主渠水流方向(縱向),y方向為垂直主渠水流方向(橫向),z方向垂直向上(垂向)。

1.2 試驗方案

灌區(qū)相似寬度的分水渠道的分流比約為0.3[16],本試驗通過調(diào)節(jié)主渠道末端尾門開度控制側(cè)渠道分流量,分流比為0.3。試驗設(shè)置4種工況,主渠道來流量(Q)分別為20 L/s、30 L/s、40 L/s、50 L/s。

主渠道共設(shè)置21個水深測量斷面(圖1(a)斷面01—斷面21),其中，分水口上下唇之間的主渠道設(shè)置9個測量斷面(斷面07—斷面15),斷面間距10 cm；分水口上下游各設(shè)置6個斷面,斷面間距20 cm。每個斷面設(shè)置2個測點,分別在靠近分水口側(cè)3 cm處(a線)、距主渠左岸3 cm處(b線)。

流速斷面設(shè)置與水深測量斷面一致。每個斷面布設(shè)11條垂線(圖1(b)垂線Ⅰ—垂線Ⅺ),其中,靠近口門一側(cè)垂線間距5 cm,其余垂線間距10 cm。每條垂線上選擇7個0.5 cm間距的測點(近底區(qū)域),其余測點間距1 cm(最上面的測點位置根據(jù)水深調(diào)整)。

水深(H)使用SCM60型水位測針測量,精度± 0.1 mm。三維流速采用聲學多普勒點式流速儀(ADV)測量,采樣空間距離下視探頭5 cm,探頭對水流的影響較小,水面下5 cm和近側(cè)壁3 cm內(nèi)為不可測區(qū)域。利用ADV流速測量頻率選擇100 Hz,采樣時間為60 s,每個測點可以得到6 000對瞬時流速值。為了降低探頭移動對瞬時流速產(chǎn)生的影響，提高采樣數(shù)據(jù)可靠性,對所測數(shù)據(jù)進行篩分處理,選取滿足平均信噪比大于15、相關(guān)系數(shù)大于85%的值。同時,由于外部環(huán)境影響,水流中可能出現(xiàn)氣泡、雜質(zhì)等,在時間序列中表現(xiàn)為毛刺,利用速度閾值法換掉不在閾值內(nèi)的數(shù)據(jù),最終篩選出用于分析計算的數(shù)據(jù)。

圖1 試驗布置Fig.1 Layout plan

2 結(jié)果分析

2.1 分水口區(qū)域水深沿程變化

圖2給出了4種主渠道來流量下水深沿程分布。由圖2可知,分水口區(qū)域a處水深變化較大:當水流靠近口門斷面上唇時,在側(cè)向離心力作用下流線方向發(fā)生突變,水流流速變大,動能隨之增加,此時水流勢能減小,水深迅速減小,在斷面07處產(chǎn)生最小值,之后隨著主渠流量減少,水流動能減小,勢能逐漸增加,分水口處開始緩慢壅水,在斷面15處產(chǎn)生最大值。對比4種工況可知,主渠來流量為20～50 L/s時,分水口區(qū)域水深沿程變化規(guī)律基本一致,本文以來流量40 L/s為例,設(shè)距分水口120 cm處斷面01、口門上唇斷面07、中間斷面11、下唇斷面15為典型斷面,對分水口區(qū)域環(huán)流強度及紊動特性進行分析。

圖2 主渠道水深沿程變化Fig.2 Water surface change map in the main channel

2.2 時均流速分布規(guī)律

2.2.1 縱向流速與橫向流速

圖3 典型斷面垂線Ⅰ、Ⅳ、Ⅷ、Ⅺ流速分布Fig.3 Velocity distribution of typical section vertical lines Ⅰ、Ⅳ、Ⅷ and Ⅺ

主渠道縱向流速可以反映主要流動趨勢,圖3(a)給出了典型斷面上4條特征垂線的縱向流速(u)分布,垂線分別為靠近分水口側(cè)的垂線Ⅰ和Ⅳ、斷面中間的垂線Ⅷ、遠離分水口側(cè)的垂線Ⅺ(z為測點距主渠道底部的距離)。從圖3(a)中可以看出,各斷面縱向流速基本符合對數(shù)型,流速大小存在明顯差異及沿程變化。由于分水口分流,在口門附近主渠流量減小,斷面15的流速明顯小于其他各斷面。斷面01在分水口上游較遠位置(大于8倍水深)處,縱向流速主要受渠底及兩側(cè)邊壁影響,中軸線區(qū)域流速明顯大于近壁區(qū)流速,在主流區(qū)域出現(xiàn)聚中現(xiàn)象；分水口處各斷面縱向流速最小值多位于近底層,低于0.4倍水深流速變化較大,這是因為高于側(cè)渠底部高程水流所受邊界條件發(fā)生突變,上層水體對下層水體產(chǎn)生較大擾動,近底區(qū)域水流縱向流速變化明顯。

主渠道橫向流速能夠更好地看出分水口分流對流速方向的改變,圖3(b)給出了典型斷面上4條特征垂線的橫向流速(v)分布。從圖3(b)中可以看出,斷面01上橫向流速較小且分布均勻,這是因為此處水流遠離分水口,流線分布與順直明渠類似。由于口門附近邊界條件變化較大,此處水流流向沿口門斷面變化明顯,其中,口門上下唇作為分流的起點和終點,流向變化明顯大于其他部分。靠近分水口處各斷面垂線Ⅰ上橫向流速變化較大,基本符合指數(shù)型,上層水流橫向流速明顯大于下層,結(jié)合圖2可知,此處水流參與分水,水面波動較大,流速大小和方向均發(fā)生明顯變化。隨著垂線遠離分水口,橫向流速分布逐漸均勻,在靠近主渠邊壁處,各斷面橫向流速趨于重合。

對比圖3(a)和圖3(b)發(fā)現(xiàn),分水角為30°時,主渠道分水口處垂線縱向流速分布規(guī)律較為統(tǒng)一；橫向流速分布規(guī)律較為多變,流速值沿渠寬方向變化較大。結(jié)合彎道水流結(jié)構(gòu)可知,橫向流速變化是過流斷面環(huán)流形成的主因,分水口處橫向流速大幅度改變亦會形成環(huán)流,從而對泥沙顆粒的輸移及邊壁的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

2.2.2 環(huán)流強度

明渠分水口處流速變化劇烈,存在明顯的高流速區(qū)和低流速區(qū),易產(chǎn)生類似天然河床的橫向變形。環(huán)流強度是反映渠道沖刷和淤積趨勢的重要指標,可以用絕對強度、相對強度以及旋度來表示[17]。本文以環(huán)流旋度(C,橫向分速與縱向分速的比值)來衡量環(huán)流強度大小,圖4給出了主渠道典型斷面環(huán)流旋度等值線分布,B為主渠道寬度。

圖4 主渠道典型斷面環(huán)流旋度分布Fig.4 Circulation curl distribution of typical sections in the main channel

圖5 垂線平均環(huán)流旋度分布Fig.5 Circulation curl distribution of typical sections

由圖4可知,斷面01的環(huán)流旋度明顯小于分水口處各斷面,環(huán)流不易產(chǎn)生。主渠道分水口區(qū)域環(huán)流旋度分層較為明顯,靠近口門處環(huán)流旋度明顯大于遠離口門處,這是因為該區(qū)域水流受側(cè)向離心力影響較大,流線發(fā)生明顯改變,流速沿y方向變化較大。天然河道或多泥沙水源中主渠道分水口區(qū)域含有大量泥沙,而環(huán)流是引起泥沙顆粒橫向運移的主要動力,在環(huán)流作用下,靠近口門處泥沙向另一側(cè)發(fā)生轉(zhuǎn)移會形成明顯的沖刷、淤積效果。對于30°分水角明渠,水流剛到分水口時,環(huán)流強度分布雖層次明顯但值不大,此處環(huán)流并未完全發(fā)展,將不會產(chǎn)生明顯的沖淤現(xiàn)象；隨著水流流動,環(huán)流強度逐漸增大,環(huán)流充分發(fā)展,斷面15上環(huán)流旋度梯度沿渠寬方向變化最大,泥沙顆粒橫向移動范圍較大,將會引起較明顯的沖淤現(xiàn)象。

結(jié)合已有直角分水口研究[18],圖5給出了2種分水角度下各斷面垂線平均環(huán)流旋度分布。由圖5可知,各斷面垂線平均環(huán)流旋度在靠近口門側(cè)出現(xiàn)最大值,隨著垂線遠離口門,環(huán)流旋度值逐漸減小,在靠近主渠邊壁處趨于重合。分水角為90°時,環(huán)流在主渠道分水口經(jīng)歷了增強、減弱2個階段,中間區(qū)域環(huán)流現(xiàn)象明顯；分水角為30°時,主渠水流從分水口進口端流向中間區(qū)域時,環(huán)流充分發(fā)展并持續(xù)到出口端。灌區(qū)渠系中含有大量泥沙,分水口處橫向環(huán)流存在時,上層水體中較細的懸移質(zhì)泥沙顆粒易被帶入側(cè)渠道,床沙顆粒在近底水流作用下逐漸遠離口門。綜上所述,與直角分水口相比,30°分水口處環(huán)流強度較大,環(huán)流效應相對明顯,橫向環(huán)流與縱向水流疊加形成的螺旋流影響范圍較大,較多的泥沙顆粒隨水流流向主渠下游,側(cè)渠道輸沙量相對較少,與Alomari等[19]研究結(jié)果一致。

2.3 脈動流速分布規(guī)律

2.3.1 紊動強度

紊動強度是水流紊動性能的基本參數(shù),代表瞬時流速的波動幅度,常用脈動流速的均方根表示:

(1)

式中:σu、σv、σw分別為縱向、橫向、垂向的紊動強度,cm/s；ui、vi、wi分別為縱向、橫向、垂向的瞬時流速,cm/s；ˉu、ˉv、ˉw分別為縱向、橫向、垂向的時均流速,cm/s；N為樣本數(shù)量。

圖6為各典型斷面上垂線Ⅰ、Ⅳ、Ⅷ、Ⅺ的紊動強度分布圖。由圖6可知,遠離分水口處主渠水流紊動強度分布表現(xiàn)為核心區(qū)域小、邊壁區(qū)域大；近壁水流流動時受壁面切應力影響較大,產(chǎn)生較大流速梯度,紊動強度大；遠離邊壁區(qū)域水流受黏滯力影響較大,紊動被抑制,越靠近中軸線區(qū)域紊動強度越?。环炙谔幙v向和橫向紊動強度明顯大于垂向紊動強度；各斷面垂線上縱向和垂向紊動強度變化規(guī)律類似,沿水深方向分布均勻,無明顯最大值點(斷面07除外)；橫向紊動強度沿水深方向變化較多,分布較為紊亂。對比圖6各分圖發(fā)現(xiàn),斷面07、斷面15作為分水的起點和終點,紊動強度值和分布規(guī)律變化較大。圖7給出了這2個斷面上垂線平均紊動強度分布，其中σj(j=u、v、w)為3個方向的紊動強度。

由圖7可知,斷面15上各方向垂線平均紊動強度沿渠寬方向變化規(guī)律一致,最大值出現(xiàn)在靠近口門下唇處,隨著垂線遠離口門,平均紊動強度迅速減小,在0.2B之后基本保持不變。斷面07上縱向、垂向垂線平均紊動強度分布規(guī)律類似,靠近口門區(qū)域出現(xiàn)2次極大值；橫向垂線平均紊動強度沿渠寬方向波動不大,最大值出現(xiàn)在遠離口門側(cè)。這是因為主渠水流流經(jīng)分水口時,口門側(cè)低于側(cè)渠底部高程水流參與分水,與主渠邊壁發(fā)生激烈碰撞,流速大小、方向變化較大,易形成不同尺度的漩渦,在二次流作用下,小尺度漩渦不斷旋轉(zhuǎn)、疊加,造成靠近口門側(cè)水流紊動強度變化劇烈且分布無規(guī)律。

圖6 典型斷面各垂線紊動強度分布Fig.6 Turbulent intensity distribution of typical sections

圖7 斷面07、斷面15的垂線平均紊動強度分布Fig.7 Average turbulent intensity distribution of vertical lines in sections 07 and 15

2.3.2 紊動能

紊動能是表征水流整體紊動狀況的物理量,為物質(zhì)輸移及能量傳遞提供支持,表達式為

(2)

式中:T為紊動能,cm2/s2；u′、v′、w′分別為縱向、橫向和垂向上的脈動流速,cm/s。

圖8為主渠道典型斷面紊動能分布,由圖8(a)可知,分水口上游斷面紊動能沿渠寬方向?qū)ΨQ分布,較大值出現(xiàn)在0.3H以下兩側(cè)邊壁及渠底中軸線附近。這是由于固液交界處水流紊動切應力較大,產(chǎn)生較大紊動能,且易生成不同尺度的漩渦,漩渦在向上和向中軸線移動及混摻過程中會伴隨能量的轉(zhuǎn)移和耗散,最終導致上層水體(>0.3H)紊動能較小。分水口處水流紊動擴散速率和方向是改變紊動能分布的主要因素,對比圖8(b)、8(c)、8(d)發(fā)現(xiàn),口門上唇斷面邊壁條件發(fā)生突變,水流向側(cè)渠方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),水體漩渦亦隨之向口門側(cè)轉(zhuǎn)移,靠進口門區(qū)域水流波動較大,則紊動能較大；口門中間斷面紊動能較大值(T>15)分布廣,多處出現(xiàn)極大值,結(jié)合前文研究內(nèi)容可知,此處環(huán)流充分發(fā)展,在側(cè)向離心力和水壓力共同作用下,上層水體流向側(cè)渠,下層水體流向主渠左岸,導致水流紊動擴散速率較快；口門下唇斷面紊動能較大值分布集中,最大值出現(xiàn)在0.1B附近,這是由于主渠右岸邊壁切應力突然增大,水流紊動加劇,各尺寸漩渦發(fā)生劇烈碰撞,水頭損失增加,故紊動能較大。

圖8 主渠道典型斷面紊動能分布Fig.8 Turbulent kinetic energy distribution of typical sections

由圖8可以看出,分水角為30°時,口門下唇斷面紊動能較大且分布規(guī)律明顯與其他斷面不同,說明紊流結(jié)構(gòu)在口門中間斷面至下唇斷面區(qū)域變化較大,與環(huán)流強度分布、大小密切相關(guān)。灌區(qū)常見的直角分水口,紊動能最大值出現(xiàn)在口門上唇斷面,口門下唇斷面紊動能較小[18],這是因為分水角為90°時,主渠水流進入側(cè)渠后形成的回流區(qū)域較大,側(cè)渠有效進水寬度較小,口門上唇斷面水流流速大小及方向變化較多,紊動劇烈,下唇斷面水深較大,水流動能多轉(zhuǎn)化為勢能,紊動不明顯。相比于直角分水口,30°分水口過流能力較強,流線更加平順,紊動擴散速率相對較小,邊壁侵蝕速率較慢,渠道維護所需人力物力成本相應減少。

2.4 床面剪切應力

床面剪切應力是連接水流特征和動床沖刷的一個重要參數(shù),可以一定程度預測動床沖刷規(guī)律。當近底水流所產(chǎn)生的剪切應力大于Shields剪切應力后,床面就會產(chǎn)生相應反應[20]。主渠分水口區(qū)域水流結(jié)構(gòu)復雜,床面剪切應力變化與水流流速及紊動參數(shù)變化相互影響,導致無法準確獲得床面剪切應力值。常見的床面剪切應力求解方法包括平均切應力法、對數(shù)率估測法、流速二次法、雷諾切應力法、紊動能法和修正紊動能法,因各方法適用條件限制,本文選擇后3種方法計算床面剪切應力,并通過對比分析選出合適的計算方法。圖9為主渠道分水口附近床面剪切應力分布,對x軸、y軸坐標分別進行量綱一化處理,設(shè)口門上唇處為零點(0，0)，相對口門長度為1,X*、Y*為相對長度。

圖9 主渠道分水口附近床面剪切應力Fig.9 Shear stress on the bed surface near the water diversion outlet of the main channel

3 結(jié) 論

為了探索非直角分水口區(qū)域水流紊動特性,以30°分水角明渠為研究對象,通過多斷面多垂線三維瞬時流速觀測試驗,分析了分水口附近明渠水流紊動特性,主要得到以下結(jié)論:

(1) 分流使主渠局部水深發(fā)生變化,主渠來流量為20～50 L/s時,分水口附近水面波動規(guī)律基本一致,遠離口門側(cè)水深波動較小,靠近口門側(cè)水深波動較大,在分水口上游、下游斷面出現(xiàn)最小值和最大值,波動幅度隨主渠來流量增加而增大。

(2) 對于30°分水口,主渠斷面上橫向流速值和分布規(guī)律變化較大,形成較大環(huán)流區(qū)域,易引起局部泥沙顆粒沖刷或淤積；30°分水口的環(huán)流效應明顯大于90°分水口,更多的泥沙顆粒在水流作用下逐漸遠離口門，流向主渠下游。

(3) 主渠道分水口區(qū)域縱向和橫向紊動強度值明顯大于垂向紊動強度,進口斷面紊動強度較出口斷面分布紊亂,最大值出現(xiàn)在遠離口門側(cè)；紊動能較大值多分布于0.3倍水深以下,最大值靠近口門下唇；30°分水口與直角分水口相比紊動擴散速率小,邊壁侵蝕速相對較慢。

(4) 修正紊動能法求解分水口附近床面剪切應力比較精確；分水角為30°,床面剪切應力較大值多分布于口門下唇附近,分水口上游床面剪切應力值較小且分布均勻,渠底泥沙顆粒不易隨水流運動,側(cè)渠道輸沙量相應減小,分水口防沙效果較好。

本試驗對清水條件下分水口區(qū)域水流紊動特性進行研究,忽略了多泥沙水源中泥沙顆粒與水流之間的相互作用,還需進一步研究含沙量及泥沙顆粒級配對分水口水流紊動的影響。