浮體結(jié)構(gòu)沉浮過程周圍水流特性研究

崔貞　傅宗甫　吳柯凡

摘要：浮體結(jié)構(gòu)作為一種環(huán)境友好型裝置已廣泛應(yīng)用于平原防洪水利工程，但在浮體沉浮過程中，周圍水流變化會(huì)影響浮體結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。采用物理模型試驗(yàn)，對(duì)浮體結(jié)構(gòu)長度以及吃水深度不同時(shí)浮體周圍的水力特性及回流區(qū)進(jìn)行了測量分析。結(jié)果表明：由于浮體的阻擋，靠近浮體背水面位置的水流流速減?。怀运疃仍龃髮?dǎo)致過水?dāng)嗝鏈p小，最大流速增大且位置下移，回流區(qū)范圍增加；浮體結(jié)構(gòu)長度變化對(duì)流速分布影響較小，但隨著長度增加，回流區(qū)長度減?。桓◇w長度的增加以及吃水深度的減小會(huì)提高浮體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

關(guān) 鍵 詞：浮體結(jié)構(gòu)； 吃水深度； 浮體長度； 水力特性； 回流區(qū)

中圖法分類號(hào)： TV663+.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.025

0 引 言

隨著中國水利建設(shè)的迅猛發(fā)展和對(duì)環(huán)境協(xié)調(diào)要求的提高，浮體結(jié)構(gòu)作為一種適合于沿海地區(qū)以及內(nèi)河水利樞紐工程建設(shè)中應(yīng)用的新型構(gòu)筑物，由于可在工廠制作和現(xiàn)場安裝，且兼顧防洪、通航以及景觀保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在水利工程中得到了廣泛應(yīng)用［1-3］。

浮體結(jié)構(gòu)通常橫跨于有限水域（河道），為兩側(cè)有岸墻約束的大寬長比的浮體結(jié)構(gòu)，水域?qū)挾葹楦◇w結(jié)構(gòu)的寬度，沿水流長度為浮體長度。浮體結(jié)構(gòu)通常需要維持其在水平狀態(tài)下沉浮運(yùn)行，在水流的作用下浮體容易發(fā)生沿水流方向的傾覆，

影響工程安全［4-6］。因此，對(duì)浮體結(jié)構(gòu)在沉浮過程中周圍水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究有著重要意義。王珊、崔貞等［7-8］曾對(duì)有限水域中浮體結(jié)構(gòu)的周圍流場進(jìn)行了研究，得知浮體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨著浮體結(jié)構(gòu)體型、位置以及水位條件的變化而呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。Cui等［9］的研究表明，淹沒狀態(tài)下浮體的穩(wěn)定性受浮體結(jié)構(gòu)體型、位置以及水力變化條件的影響，浮體參數(shù)的變化會(huì)影響浮體周圍的水流流態(tài)。張李萍［10］通過物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)水流作用下浮體閘在啟閉過程的水力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)描述，結(jié)果表明浮體閘所受轉(zhuǎn)動(dòng)阻力與吃水深度、轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及來流流速之間存在正相關(guān)關(guān)系，浮體閘迎水面的壓強(qiáng)分布明顯大于下游背水面壓強(qiáng)。崔貞等［11］還采用數(shù)值模擬及物理模型試驗(yàn)得到影響浮體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的敏感性因素，并發(fā)現(xiàn)浮體表面所受壓力以及水流特性受浮體結(jié)構(gòu)及水力因素影響巨大。

但是，學(xué)者們對(duì)于浮體結(jié)構(gòu)在動(dòng)水中沉浮過程周圍水力特性及阻水效應(yīng)的研究目前還較少涉及。因此本文采用物理模型試驗(yàn)對(duì)浮體結(jié)構(gòu)在動(dòng)水中沉浮時(shí)周圍的水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究。通過控制變量法，對(duì)浮體長度以及來流條件變化引起的結(jié)構(gòu)周圍水流流態(tài)進(jìn)行研究，測量水面線、特征斷面流速分布并進(jìn)行對(duì)比，分析回流區(qū)的長度變化，從而給出浮體結(jié)構(gòu)運(yùn)行過程中水力特性的變化規(guī)律，為浮體結(jié)構(gòu)的控制運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置及設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置采用自循環(huán)有機(jī)玻璃水槽，長×寬×高為10.00 m×0.30 m×0.50 m，浮體結(jié)構(gòu)采用有機(jī)玻璃制成，位于水槽中心區(qū)域，具體結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。因試驗(yàn)所用流量較小，測量精度要求較高，因此在輸水管處直接安裝精度為±0.5%管道式電磁流量計(jì)進(jìn)行流量監(jiān)測；在上下游水面穩(wěn)定處安裝精度為0.10 mm的測針進(jìn)行水位讀取；采用步進(jìn)式閘門調(diào)控系統(tǒng)控制浮體結(jié)構(gòu)吃水深度，調(diào)控精度為1.00 mm；采用三維超聲波多普勒測速儀（ADV）（0.02 m/s）測量流速。

為研究不同結(jié)構(gòu)長度以及吃水深度下浮體周圍水流特性分布，將來流單寬流量q以及下游水位H′分別固定為0.07 m2/s以及20 cm。浮體寬度B與水槽同寬，為30 cm，浮體高度a為10 cm，浮體結(jié)構(gòu)沿水流方向的長度L分別設(shè)定為10，20，30以及40 cm。浮體結(jié)構(gòu)吃水深度h分別選為2，4，6，8 cm。試驗(yàn)過程中對(duì)不同長度以及吃水深度下浮體周圍的水位、流速分布以及回流區(qū)特性進(jìn)行測量。圖2為參數(shù)示意圖，圖中v為來流流速，H為上游水位，E為距底高度，H′為下游水位，ΔH為上下游水位差。表1為試驗(yàn)組次設(shè)計(jì)表。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

水流受到浮體結(jié)構(gòu)的阻擋，在浮體結(jié)構(gòu)迎水面處產(chǎn)生壅水形成阻水效應(yīng)，并對(duì)上、下游水面線產(chǎn)生影響。

2.1 浮體結(jié)構(gòu)阻水效應(yīng)

試驗(yàn)過程中，沿水流方向?yàn)閅方向，水深為Z方向，浮體結(jié)構(gòu)中心位于Y=0處。不同試驗(yàn)條件下水面線測點(diǎn)位置Y選取為±150.00 cm、±120.00 cm以及±90.00 cm～±20.00 cm之間測點(diǎn)，間距為10.00 cm。試驗(yàn)中對(duì)浮體迎水面和背水面的水位進(jìn)行了加密測量，同時(shí)對(duì)不同條件下浮體上游壅水起始點(diǎn)以及壅水長度進(jìn)行測量，結(jié)果見表2。

2.1.1 不同浮體結(jié)構(gòu)長度下水面線分布

浮體結(jié)構(gòu)的存在，導(dǎo)致水流接近浮體結(jié)構(gòu)時(shí)，靠近浮體結(jié)構(gòu)迎水面出現(xiàn)小幅度的壅水，浮體的阻擋致使浮體處水面線突降，繞過浮體的水流屬于孔流，僅在浮體下游約1倍浮體長度范圍內(nèi)水位有明顯波動(dòng)。吃水深度相同情況下，當(dāng)浮體結(jié)構(gòu)長度變化時(shí)，相應(yīng)迎水面壅水位置起始點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化，但對(duì)壅水長度影響并不大，且浮體長度變化對(duì)下游水面線變化趨勢(shì)影響不大。

2.1.2 不同浮體結(jié)構(gòu)下吃水深度水面線分布

上下游水面線受浮體結(jié)構(gòu)不同吃水深度的影響。在相同浮體結(jié)構(gòu)長度下，吃水深度較大時(shí)，迎水面的壅水長度增加。由于浮體的存在減小了過流斷面的面積，水流流線在浮體迎水面收縮，在下游擴(kuò)散，加上浮體本身的阻力等因素，使水流的局部阻力增大，造成局部水頭損失，形成浮體上下游的水位差，吃水深度越大，則阻力越大。

由于水位差的存在，浮體迎水面的壓強(qiáng)比背水面稍大，因此迎、背水面產(chǎn)生壓差。隨著吃水深度進(jìn)一步增大，迎水面以及背水面所受壓強(qiáng)整體增大，迎水面處出現(xiàn)小幅度壅水，壓強(qiáng)明顯增大；而浮體背水面位置出現(xiàn)小范圍滯水，壓強(qiáng)較小，迎、背水面的壓強(qiáng)差增大，浮體表面所受壓強(qiáng)的不均勻分布較明顯，因此隨著吃水深度的增加，浮體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性減小。

2.2 浮體結(jié)構(gòu)下游斷面流速分布

在距離浮體結(jié)構(gòu)上游較遠(yuǎn)位置處，來流流速分布均勻，受浮體結(jié)構(gòu)的影響較小；靠近浮體結(jié)構(gòu)時(shí)，流速分布開始出現(xiàn)不均勻，經(jīng)過浮體的阻擋作用，浮體迎水面處水流流速減小，水流經(jīng)浮體結(jié)構(gòu)的下部進(jìn)入下游，下層水流的流速增大。下游的流速分布中，在靠近浮體結(jié)構(gòu)背水面位置處流速較小，下游流速分布呈現(xiàn)自上而下增大的變化趨勢(shì)，最大流速發(fā)生在近底層處，在距離浮體結(jié)構(gòu)背水面下游位置10～11倍浮體長度時(shí)，流速分布基本恢復(fù)均勻。試驗(yàn)過程中，對(duì)于浮體下游回流區(qū)中心斷面處的流速分布進(jìn)行了測量分析。

2.2.1 不同浮體結(jié)構(gòu)長度時(shí)下游斷面流速分布

圖3中，y/H′為流速測點(diǎn)在下游回流區(qū)中心斷面測點(diǎn)位置。其中，當(dāng)h=2 cm、浮體結(jié)構(gòu)長度為30，40 cm時(shí)，下游區(qū)域不存在回流區(qū)。當(dāng)吃水深度相同時(shí)，不同浮體結(jié)構(gòu)長度對(duì)斷面流速分布幾乎無影響，而受吃水深度的影響，流速分布變化較大，隨著吃水深度的增加，最大流速增大，且最大流速發(fā)生位置逐漸下移。

2.2.2 不同吃水深度時(shí)下游斷面流速分布

圖4為不同吃水深度下回流區(qū)中心斷面處的流速分布。從圖4中可以看出：當(dāng)浮體結(jié)構(gòu)相同時(shí)，下游斷面的最大流速隨著吃水深度的增大呈下移趨勢(shì)。當(dāng)浮體結(jié)構(gòu)下沉?xí)r，過水?dāng)嗝鏈p小，引起浮體結(jié)構(gòu)的主流區(qū)開始向下偏移，因此最大流速發(fā)生位置開始下偏。在高于位置y/H′=0.60處，隨著吃水深度的減小，流速呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，在h=2 cm時(shí)達(dá)到最大；而在低于y/H′=0.60處，隨著吃水深度的增加，流速呈增大趨勢(shì)。

2.3 回流區(qū)長度

浮體結(jié)構(gòu)在流動(dòng)水域運(yùn)行過程中，其背水面會(huì)產(chǎn)生回流區(qū)，回流區(qū)內(nèi)流速較小，且存在負(fù)流速，隨著浮體結(jié)構(gòu)長度以及吃水深度的變化，回流區(qū)的長度D會(huì)發(fā)生變化，表3給出了不同試驗(yàn)條件下回流區(qū)長度分布。

當(dāng)吃水深度較小時(shí)，較長的浮體結(jié)構(gòu)下游區(qū)域不產(chǎn)生回流區(qū)。而當(dāng)吃水深度增加時(shí)，隨著浮體結(jié)構(gòu)長度的增加，回流區(qū)長度減小，在長度L=40 cm時(shí)，回流區(qū)長度最小。流經(jīng)浮體結(jié)構(gòu)下部的水流進(jìn)入到下游區(qū)域迅速擴(kuò)散，當(dāng)浮體長度較小時(shí)，主流由于慣性作用進(jìn)入到下游區(qū)域，對(duì)浮體結(jié)構(gòu)背水面回流區(qū)影響較小，因此回流區(qū)較長，造成浮體背水面壓強(qiáng)減小，迎背水面的壓差增大，浮體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低。當(dāng)浮體結(jié)構(gòu)長度相同時(shí)，隨著吃水深度的增加，回流區(qū)長度明顯增加，在吃水深度為8 cm時(shí)，回流區(qū)長度達(dá)到最大。當(dāng)浮體結(jié)構(gòu)吃水深度增大時(shí)，流經(jīng)浮體結(jié)構(gòu)下部的主流流速增加，對(duì)回流區(qū)影響范圍變小，背水面回流區(qū)范圍增大，因此回流區(qū)較長。

3 結(jié) 論

本文采用物理模型試驗(yàn)，分析了不同吃水深度以及長度的浮體結(jié)構(gòu)在有限流動(dòng)水域內(nèi)沉浮過程中的阻水效應(yīng)及水流特性，得到以下結(jié)論：

（1） 在水流接近浮體結(jié)構(gòu)時(shí)，上游水面開始出現(xiàn)壅水；浮體結(jié)構(gòu)長度的變化對(duì)壅水長度影響并不大；而隨著吃水深度的增加，上游壅水長度明顯增加，導(dǎo)致上下游水位差增大，浮體的阻水效果更明顯，浮體的穩(wěn)定性較小。

（2） 浮體結(jié)構(gòu)長度不同時(shí)，下游斷面流速分布規(guī)律基本相同，自下而上流速先增大后減??；隨著浮體結(jié)構(gòu)吃水深度的增加，下游回流區(qū)斷面處的最大流速發(fā)生位置向下移動(dòng)，且由于過流斷面的減小，最大流速增大。

（3） 隨著浮體結(jié)構(gòu)長度的減小以及吃水深度的增大，回流區(qū)范圍呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，進(jìn)而導(dǎo)致迎、背水面壓強(qiáng)差增大，浮體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉洋.幾種景觀壩在水利工程中的應(yīng)用與比選［J］.中國水運(yùn)（下半月），2020，20（3）：179-180.

［2］魏世韜.山區(qū)河道水閘氣動(dòng)浮體生態(tài)閘門及運(yùn)用［J］.江淮水利科技，2018（4）：41-43.

［3］XIE Z Y，GU X K.Review on conceptual designs and key technologies of very large floating structures［J］.Journal of Ship Mechanics，2020，24（6）：825-838.

［4］IKOMA T，F(xiàn)URUYA S，AIDA Y，et al.Effects of clearance between seabed and bottom of a VLFS on hydroelastic responses［C］∥WCFS 2020，Singapore：Springer，2022：331-345.

［5］JIANG C，MOCTAR O，SCHELLIN T E，et al.Numerical investigation of hydroelastic effects on floating structures［C］∥WCFS2020，Singapore：Springer，2022：309-330.

［6］SCHREIER S，JACOBI G.Measuring hydroelastic deformation of very flexible floating structures［Z］.Singapore：Springer，2022：347-371.

［7］王珊，傅宗甫，崔貞，等.流動(dòng)水域浮體結(jié)構(gòu)傾覆力矩影響因素分析［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，46（1）：66-71.

［8］崔貞，傅宗甫，馬廣鋼，等.孔堰流分流點(diǎn)豎向位置實(shí)驗(yàn)探究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，40（4）：738-745.

［9］CUI Z，PAN S，CHEN Y.The hydrodynamic moment of a floating structure in finite flowing water［J］.Fluids，2021，6（9）：307.

［10］張李萍.浮體閘定位過程水力特性研究［D］.南京：河海大學(xué)，2007.

［11］崔貞，傅宗甫，顧曉峰，等.浮體結(jié)構(gòu)對(duì)下游水流結(jié)構(gòu)影響［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，46（5）：433-437.

（編輯：胡旭東）

Surrounding water flow characteristics in sinking and floating process of floating structures

CUI Zhen1，F(xiàn)U Zongfu2，WU Kefan1

（1.School of Civil Engineering and Architecture，Changzhou University of Technology，Changzhou 213032，China； 2.College of Water Conservancy & Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract： As an environmentally friendly device，floating structures have been widely used in plain flood control water conservancy projects.However，during the sinking and floating process of a floating structure，the change of surrounding water flow will affect the safety operation of the floating structure.In this paper，the physical model test was carried out to measure and analyze the hydraulic characteristics and recirculation zone around the floating structure when the floating structure length and draft depth were different.The results showed that the flow velocity near the back surface of the floating structure decreased due to the blocking of the floating body.The increase of draft depth led to the decrease of cross section，so the maximum velocity increased and the position moved down，and the range of the recirculation zone increased.The change of the floating structure length had little effect on the flow velocity distribution，but the recirculation zone length decreased with the increasing of the floating structure length.The increase of the floating structure length and the decrease of the draft depth would improve the stability of the floating structure.

Key words： floating structure；draft depth；floating structure length；hydraulic characteristics；recirculation zone

收稿日期：2022-07-15

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFD0900805）；江蘇省高校自然科學(xué)面上項(xiàng)目（20KJD430002）；江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202211055068X）

作者簡介：崔 貞，女，講師，博士，研究方向?yàn)楣こ趟W(xué)。E-mail：cuiz@cit.edu.cn

通信作者：傅宗甫，男，副教授，博士，研究方向?yàn)楣こ趟W(xué)。E-mail：zffu@hhu.edu.cn