不透水剛性板局部三維流場結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究

楊元平，何 昆

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

不透水剛性壩是一種應(yīng)用廣泛的河道整治建筑物，剛性壩的存在改變了原有的水流結(jié)構(gòu)，使整個(gè)流場呈高度的三維性。近年來，對不透水剛性壩周邊的水流結(jié)構(gòu)有大量的研究，周陽[1]等對彎道內(nèi)的非淹沒丁壩附近水流現(xiàn)象做了相應(yīng)的研究，得到了整個(gè)彎道區(qū)域水面線出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象，另外，還得出在橫向斷面上丁壩上游水面線的分布規(guī)律。彭靜[2]等基于顏料示蹤和油膜技術(shù)對剛性壩附近的流場分布進(jìn)行可視化記錄研究。數(shù)學(xué)模型方面，胡子俊[3]等采用RANS方法對丁壩繞流進(jìn)行模擬，通過不同湍流模型與試驗(yàn)觀測結(jié)果進(jìn)行對比后得出RNGk-ε湍流模型的精度較高，數(shù)值計(jì)算得到的流場變化形態(tài)與試驗(yàn)觀測和客觀流場運(yùn)動(dòng)規(guī)律吻合的結(jié)論。寧健[4]等基于Flow-3D模擬軟件建立了水沙數(shù)值模型，很好地反映了剛性壩附近的流場信息與床面變形特征。這些研究成果一致認(rèn)為[5]剛性壩壩頭附近有一個(gè)馬蹄形漩渦，水流在繞過壩頭一定角度后邊界層發(fā)生分離，分離點(diǎn)以后即壩下游的回流區(qū)和主流區(qū)交界形成旋轉(zhuǎn)角速度較大的一連串的尾流漩渦（也稱豎軸漩渦）。正是由于丁壩附近馬蹄形漩渦、尾渦等這一系列的三維渦體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致紊動(dòng)增強(qiáng)，河床泥沙更易起動(dòng)，從而形成沖刷。

本文采用“小威龍二代”（Vectrino Ⅱ）剖面流速儀對水槽中不透水剛性板附近的流場進(jìn)行三維測量，根據(jù)測量結(jié)果對剛性板周邊流場特征進(jìn)行分析，研究水流中設(shè)置不透水剛性板后局部流場結(jié)構(gòu)特征。

2 試驗(yàn)概述

試驗(yàn)在浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的玻璃水槽中進(jìn)行，水槽長50.0 m，寬1.2 m，高0.6 m。水流試驗(yàn)條件選取水深H= 0.20 m，流速分別取V= 0.1，0.2，0.3 m/s進(jìn)行水流流場結(jié)構(gòu)測量，為提高ADV信噪比，在上游側(cè)持續(xù)加示蹤粒子（見圖1）。剛性板垂直于水流方向?qū)抌= 40 cm，關(guān)于水槽縱軸線對稱布置。剛性板高度25 cm，試驗(yàn)過程中剛性板頂部不過流。以水槽底部河床面為XY平面，剛性板底部中心點(diǎn)位置為原點(diǎn)O，沿水流方向?yàn)閄軸，水平面內(nèi)垂直于流向?yàn)閅軸，垂直向上為Z軸（見圖2）。

在剛性板上游側(cè)沿垂直水流方向布置3個(gè)測流斷面，距剛性板距離分別為5，25，50 cm，剛性板下游布設(shè)9個(gè)測流斷面，與剛性板距離分別為5，10，15，20，30，40，50，70，90 cm。每個(gè)斷面布置5條測流垂線（剛性板斷面布置3條），測流垂線距水槽中心線距離分別為0，10，20，30，40 cm。另外在剛性板軸線布置一斷面，測流垂線位置距水槽中心線分別為20，30，40 cm。測流垂線布置見圖2。

采用“小威龍二代”（Vectrino Ⅱ）剖面流速儀對垂線流速進(jìn)行測量，“小威龍二代”（Vectrino Ⅱ）剖面流速儀每次能測3.2 cm厚的垂線流速，最小分層間距1 mm，本次測流分層間距4 mm，測量Z= 0.3 ～ 18.0 cm分層流速。

圖1 水槽試驗(yàn)布置圖

圖2 測點(diǎn)平面布置圖

試驗(yàn)前對水流進(jìn)行調(diào)試率定，當(dāng)時(shí)均流速分別達(dá)到V=0.10，0.20，0.30 m/s并穩(wěn)定一段時(shí)間后進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

3 流場特征分析

3.1 中心剖面縱向流速特征

圖3 ～ 5為各流速條件下剛性板中心縱斷面速度矢量圖及云圖。從圖3 ～ 5中可以看出，上游50 cm處垂線流速垂線分布基本呈拋物線，隨著離剛性板越近，流速整體逐漸變小，由于剛性板的阻水，上層水流在剛性板前下潛，且越接近剛性板流速越小。

在剛性板下游側(cè)，水流出現(xiàn)明顯逆向流動(dòng)，水流從下游流向上游剛性結(jié)構(gòu)處。從速度云圖及垂線流速分布都可看出，不同流速條件下，在距剛性板下游70 cm垂線，上層水流流向下游方向，而底層水流依然流向上游，但流向下游的水體厚度大于流向上游的水體厚度，表明在該位置逆向流動(dòng)僅存在于底層，但從流速大小來看，底層流向上游的最大流速大于上層流向下游的最大流速，總體來看，正向與逆向流動(dòng)的分界位置基本在60 ～ 80 cm附近。

圖3 中心縱斷面速度矢量圖及云圖（V = 0.10 m/s）

圖4 中心縱斷面速度矢量圖及云圖（V = 0.20 m/s）

圖5 中心縱斷面速度矢量圖及云圖（V = 0.30 m/s）

3.2 平面分層流場特征

圖6 ～ 8為各工況剛性板不同高程面層下的平面流速矢量圖及云圖，圖9為表層、中層、底層分層流速矢量疊加圖。從分層流速矢量及速度云圖可以看出，由于剛性板的挑流作用，剛性板頭部外側(cè)流速增大明顯，流速出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，表層流速最大增大70%以上，向下游流速增大幅度逐漸減小。

從圖6 ～ 9可以看出，剛性結(jié)構(gòu)頭部附近流速向外偏轉(zhuǎn)，自上至下，剛性板頭部流矢偏轉(zhuǎn)幅度逐層增大，底層流矢偏轉(zhuǎn)幅度最大，這是由于剛性結(jié)構(gòu)攔截的水體在壩前下潛，最后在底部繞過剛性板流出，底部繞流相對增大較大所致。

從圖6 ～ 8還可以看出，剛性板下游側(cè)存在一個(gè)明顯的豎軸渦流，漩渦尺寸隨水深變化，由表層向底層渦旋橫向?qū)挾瘸手饾u增大趨勢，如在V= 0.10 m/s流速條件下，表層、中層、底層渦旋寬度分別為24，27，32 cm，表層渦橫向?qū)挾茸钚?，中層居中，底層渦旋的橫向?qū)挾茸畲?。這與剛性結(jié)構(gòu)頭部流矢偏幅度轉(zhuǎn)相對應(yīng)，流速偏轉(zhuǎn)越大，渦旋橫向?qū)挾仍酱蟆?/p>

由于剛性板的掩護(hù)作用，在剛性板后方局部范圍內(nèi)流速減小。如近剛性板表層流速減小到無剛性板時(shí)流速的10%以內(nèi)；在距丁壩軸線10 ～ 50 cm范圍內(nèi)，流速減小幅度在20% ～ 40%，但此時(shí)水流流向與無剛性板時(shí)流向相反，該區(qū)域水流呈逆向流動(dòng)。

距丁壩軸線50 cm后存在流速減小顯著區(qū)域，結(jié)合流矢圖，可以認(rèn)為該區(qū)域?yàn)槟嫦蛄鲃?dòng)與正向流動(dòng)的分離區(qū)。不同層逆向流動(dòng)與正向流動(dòng)分離區(qū)存在差異，從表層到底層，分離區(qū)逐漸向下游移動(dòng)。如在V= 0.10 m/s水流條件下，表層逆向流動(dòng)與正向流動(dòng)分離區(qū)在50 ～ 80 cm，底層分離區(qū)基本已在70 cm之后，其它流速條件下逆向流動(dòng)與正向流動(dòng)分離區(qū)變化趨勢與0.10 m/s水流條件類似。

圖6 平面速度矢量圖及云圖（V = 0.10 m/s）

圖7 平面速度矢量圖及云圖（V = 0.20 m/s）

圖8 平面速度矢量圖及云圖（V = 0.30 m/s）

圖9 表層、中層、底層分層流速矢量疊加圖

4 結(jié) 論

通過對不透水剛性板附近的流場的試驗(yàn)研究，表明在設(shè)置不透水剛性板后，局部流場有如下變化規(guī)律：

（1）剛性板上游側(cè)，表層水流下潛，下潛水流從剛性板側(cè)面頭部繞過，由于剛性板挑流的作用，剛性板頭部外側(cè)流速顯著增大，流矢方向出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，且從表層到底層，流矢偏轉(zhuǎn)幅度逐漸增大。

（2）剛性板下游側(cè)存在一個(gè)明顯的豎軸渦流，從表層到底層，豎軸漩渦垂直于水流方向的寬度逐漸增大，與剛性板頭部流矢偏轉(zhuǎn)幅度逐漸增大相對應(yīng)。

（3）在剛性板下游側(cè)，水流出現(xiàn)明顯逆向流動(dòng)現(xiàn)象，在距丁壩軸線10 ～ 50 cm范圍內(nèi)，流速有一定程度減小，但流向已與原來基本相反；剛性板下游50 cm以后存在流動(dòng)顯著較弱的區(qū)域，結(jié)合流矢圖判斷，該區(qū)域（60 ～ 90 cm）基本為正向流速與逆向流速的分界區(qū)。