基于3D 打印物模的輸水渡槽出口流態(tài)優(yōu)化試驗(yàn)

馬山玉，李 釗，王志剛，曲曉寧，崔航飛

（1.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，鄭州 450016；2.中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司河南分公司，鄭州 450016）

南水北調(diào)中線工程是跨地區(qū)、 跨流域的特大型調(diào)水工程，全線采用自流輸水方式。中線干線工程澧河渡槽， 設(shè)計(jì)輸水流量320m3/s， 加大流量380m3/s。2020年4月末，中線工程開啟運(yùn)行以來第一次大流量輸水， 陶岔入渠流量從350m3/s提升至420m3/s。 在此期間，澧河渡槽出現(xiàn)流態(tài)紊亂現(xiàn)象，槽內(nèi)水位異常波動(dòng)，渡槽出口出現(xiàn)明顯的卡門渦街現(xiàn)象［1］，一定程度上制約了中線工程的調(diào)水能力， 亟需研究流態(tài)紊亂原因并提出流態(tài)優(yōu)化工程措施。

針對(duì)卡門渦街［1、2］的研究較多，消除卡門渦街的工程措施研究較少。 在參考南京三叉河河口閘過閘水流流態(tài)改善措施［3］和南水北調(diào)中線工程十二里河渡槽流態(tài)優(yōu)化措施［1］的基礎(chǔ)上，以澧河渡槽為典型，基于高精度三維水動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算開展輸水渡槽流態(tài)分析研究。為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算成果的準(zhǔn)確性，考慮到水工物模試驗(yàn)成本高，周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，基于3D打印物理模型， 對(duì)渡槽出口新建不同長(zhǎng)度三角形導(dǎo)流墩后流態(tài)改善程度，開展了定性試驗(yàn)研究。

1 3D打印水力學(xué)模型設(shè)計(jì)與制造

1.1 澧河渡槽工程概況

澧河渡槽采用雙槽布置形式，渡槽總長(zhǎng)736m，渡槽為矩型截面，寬10m，設(shè)計(jì)水深6.13m，加大水深6.83m，渡槽頂部設(shè)拉桿橫梁，底部距離加大水位0.1m。 渡槽進(jìn)、出口閘室中隔墩厚度5m，進(jìn)出口中隔墩端部分別倒角1.8m和1.3m；渡槽上、下游采用漸變段與梯型總干渠連接。 澧河渡槽工程布置如圖1。

圖1 澧河渡槽布置示意圖

1.2 水力學(xué)模型設(shè)計(jì)

澧河渡槽流態(tài)優(yōu)化試驗(yàn)水力學(xué)模型按照重力相似準(zhǔn)則，采用正態(tài)模型。 以澧河渡槽竣工圖構(gòu)建BIM模型，在滿足水深不宜小于3cm的前提下，以3D打印機(jī)可打印的最大尺寸確定模型比例為1∶200。模型主要用于流態(tài)定性研究，基于3D打印技術(shù)和材料制作的模型表面糙率達(dá)不到比尺相似要求，但對(duì)試驗(yàn)成果影響不大，可不校正模型糙率，局部不平整處稍作打磨，過水?dāng)嗝嫱磕ü虘B(tài)石蠟降低表面黏滯力。

1.3 模型制作

使用3D打印機(jī)，選用新型生物降解塑料PLA按1∶200的尺寸打印澧河渡槽建筑物， 包括50m長(zhǎng)進(jìn)口渠道、進(jìn)口漸變段、進(jìn)口閘室段渠道、渡槽、渡槽出口閘室段渠道、渡槽出口漸變段等，使用AB結(jié)構(gòu)膠將分塊打印的模型黏接成整體。 用有機(jī)玻璃制作蓄水槽及前池水槽，3D打印渡槽模型按高程比例用膠結(jié)固定在蓄水槽內(nèi)。設(shè)隔板將前池水槽與蓄水槽隔離，渡槽進(jìn)口渠道與前池隔梯形缺口黏接， 渡槽出口為自由狀態(tài)。蓄水槽外部設(shè)儲(chǔ)水箱，通過變頻水泵將水箱內(nèi)的水按一定的流量抽到前池水槽， 經(jīng)穩(wěn)流后流入渠道模型內(nèi)。水流從模型出口流出后進(jìn)入蓄水槽，蓄水槽內(nèi)設(shè)帶有截止閥的排水管。 通過變頻調(diào)節(jié)進(jìn)入前池水槽的水量， 通過調(diào)節(jié)排水管上的截止閥控制排水流量。 3D打印部分模型如圖2，水力學(xué)模型如圖3。

圖2 3D打印物理模型

圖3 水力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1.4 水力學(xué)模型水流量及調(diào)控

3D打印水力學(xué)模型幾何比尺為λL=200， 則流量比尺λQ為式（1）：

渡槽設(shè)計(jì)流量320m3/s，物模流量為式（3）：

水力學(xué)模型試驗(yàn)應(yīng)在設(shè)計(jì)流量至加大流量的狀態(tài)下進(jìn)行，模型的試驗(yàn)流量應(yīng)調(diào)控到0.672～0.566L/s。水力學(xué)模型使用變頻水泵形成循環(huán)水流， 水泵流量4000L/h，共20個(gè)變頻檔位。 以10min為單位，量測(cè)抽到蓄水槽的水的體積，可推算水泵的流量。經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)，水泵的電機(jī)處于12檔時(shí)流量約0.67L/s；電機(jī)處于10檔時(shí)流量約0.57L/s。 設(shè)計(jì)流量試驗(yàn)前，先將蓄水槽內(nèi)的水蓄到渡槽出口處水深3.07cm； 加大流量試驗(yàn)前， 先將蓄水槽內(nèi)的水蓄到渡槽出口處水深3.41cm，同時(shí)開啟水泵和排水閥，將水泵電機(jī)調(diào)整到驗(yàn)證的檔位，維持渡槽模型的水位和流量，驗(yàn)證導(dǎo)流墩安裝前和安裝不同長(zhǎng)度導(dǎo)流墩的流態(tài)。

2 物理模型試驗(yàn)

通過數(shù)值模型模擬的方式， 綜合考慮對(duì)原建筑物結(jié)構(gòu)影響、施工難度、流態(tài)改善程度、投資等因素后，推薦在渡槽出口新建三角形導(dǎo)流墩，并用數(shù)值模型定量研究分析了出口新建10，20，30，40m 4種長(zhǎng)度的導(dǎo)流墩方案。

為驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性， 采用3D打印水力學(xué)模型開展試驗(yàn)， 研究在渡槽出口新建不同長(zhǎng)度導(dǎo)流墩的流態(tài)。以3D打印水力學(xué)模型，選取現(xiàn)狀及出口加裝20，30，40，60m長(zhǎng)度導(dǎo)流墩分別進(jìn)行流態(tài)模擬，定性對(duì)比分析加裝不同長(zhǎng)度導(dǎo)流墩后對(duì)流態(tài)變化的影響趨勢(shì)，并與數(shù)值模型分析流態(tài)對(duì)比驗(yàn)證。

2.1 現(xiàn)狀出口流態(tài)模擬

3D打印物理模型試驗(yàn)可以完整模擬澧河渡槽出口流態(tài)，現(xiàn)狀條件下，澧河渡槽出口局部流態(tài)紊亂，成旋渦狀向前發(fā)展，與實(shí)際情況相符。物模模擬現(xiàn)狀流態(tài)如圖4。

圖4 渡槽出口現(xiàn)狀流態(tài)

2.2 出口加裝20m長(zhǎng)度導(dǎo)流墩流態(tài)模擬

出口加裝20m長(zhǎng)度導(dǎo)流墩后，澧河渡槽出口流態(tài)有一定改善，但總體還成旋渦狀向前發(fā)展。 流態(tài)如圖5。

圖5 渡槽出口加裝20m導(dǎo)流墩流態(tài)

2.3 出口加裝40m長(zhǎng)度導(dǎo)流墩流態(tài)

出口加裝40m長(zhǎng)度導(dǎo)流墩后，澧河渡槽出口流態(tài)改善明顯，旋渦狀基本消失。 流態(tài)如圖6。

圖6 渡槽出口加裝40m導(dǎo)流墩流態(tài)

2.4 出口加裝60m長(zhǎng)度導(dǎo)流墩流態(tài)情況

出口加裝60m長(zhǎng)度導(dǎo)流墩后，澧河渡槽出口流態(tài)基本穩(wěn)定，旋渦狀消失，與加裝40m導(dǎo)流墩效果基本相同。 流態(tài)如圖7。

圖7 渡槽出口加裝60m導(dǎo)流墩流態(tài)

3 物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模型對(duì)比分析

為研究對(duì)比3D打印水力學(xué)模型的可靠性， 對(duì)比分析了渡槽出口未安裝導(dǎo)流墩前現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際流態(tài)、3D打印物模模擬的流態(tài)和數(shù)值模型模擬的流態(tài)，以及在渡槽出口加裝不同長(zhǎng)度導(dǎo)流墩后， 通過數(shù)模和物模分別模擬的流態(tài)。

3.1 初始狀態(tài)渡槽出口流態(tài)對(duì)比分析

3.1.1 渡槽現(xiàn)狀實(shí)際流態(tài)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)顯示，渡槽過流320m3/s流量時(shí)，澧河渡槽出口漸變段流態(tài)紊亂， 左右兩槽水流以中隔墩為中心，呈周期性擺動(dòng)現(xiàn)象，擺動(dòng)周期約為8s，并伴隨有旋轉(zhuǎn)方向相反的反對(duì)稱旋渦向下游傳遞，即呈現(xiàn)出流體力學(xué)中典型的”卡門渦街”現(xiàn)象，流量越大流態(tài)越紊亂，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際流態(tài)如圖8（a）。

3.1.2 3D打印模型模擬流態(tài)

采用3D打印水力學(xué)模型， 模擬加大流量下渡槽出口的流態(tài)如圖8（b），渡槽出口的卡門渦街現(xiàn)象，流態(tài)擺動(dòng)趨勢(shì)與實(shí)際流態(tài)接近。

3.1.3 數(shù)值模型模擬流態(tài)

數(shù)值模型模擬渡槽出口流場(chǎng)分布如圖8 （c），流態(tài)如圖8（d），模擬結(jié)果顯示：由于出口墩頭寬平，渠水急劇繞流，使得墩頭后流態(tài)紊亂，左右兩槽水流以中隔墩為中心，呈周期性擺動(dòng)現(xiàn)象，數(shù)模、物模模擬結(jié)果與澧河渡槽當(dāng)日現(xiàn)實(shí)觀測(cè)結(jié)果完全一致。

圖8 現(xiàn)狀出口流態(tài)對(duì)比

3.2 數(shù)值模型出口加裝不同長(zhǎng)度導(dǎo)流墩流態(tài)

為給消除流態(tài)紊亂的工程措施及方案設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，采用數(shù)值模型，模擬了渡槽出口新建10，20，30，40m三角形導(dǎo)流墩的流態(tài)，數(shù)值模型計(jì)算不同尺寸導(dǎo)流墩流速分布如圖9。

圖9 數(shù)值模型出口不同尺寸導(dǎo)流墩流速分布

流態(tài)對(duì)比結(jié)果顯示，出口安裝10m導(dǎo)流墩后“卡門渦街”現(xiàn)象仍未消失，但與現(xiàn)狀相比尾流擺動(dòng)幅度和頻率有所降低；20m導(dǎo)流墩“卡門渦街”現(xiàn)象基本消失， 但仍存在微小擺動(dòng)；30m和40m導(dǎo)流墩尾流擺動(dòng)現(xiàn)象完全消失。隨著導(dǎo)流墩的加長(zhǎng)，左右側(cè)流速分布更加對(duì)稱。

3.3 對(duì)比分析

3D打印物理模型能夠模擬出渡槽現(xiàn)狀流態(tài)，能與數(shù)值模型和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)現(xiàn)象吻合。 通過對(duì)出口加裝不同尺寸導(dǎo)流墩進(jìn)行流態(tài)模擬試驗(yàn)，3D打印物理模型試驗(yàn)可定性模擬渡槽流態(tài)的變化趨勢(shì)， 通過試驗(yàn)可知渡槽出口加裝30m（或大于30m）長(zhǎng)度導(dǎo)流墩后，澧河渡槽出口流態(tài)改善明顯，旋渦狀基本消失，與數(shù)值分析結(jié)果及推薦優(yōu)化方案結(jié)論基本一致。

4 結(jié)論和建議

（1）3D打印水力學(xué)物理模型，可以用于試驗(yàn)研究建筑物現(xiàn)狀流態(tài)和優(yōu)化措施流態(tài)。

（2）3D打印模型糙率高、打印效率低，建議復(fù)雜的曲面采用3D打印， 模型的平面部分采用與比尺糙率接近的亞克力等材料， 將3D打印的模型精細(xì)打磨后與亞克力材料黏接形成水力學(xué)模型。

（3）用于流速分布、體型優(yōu)化等模型試驗(yàn)研究時(shí)，建議采用大型3D打印機(jī)和大比尺模型，可提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度。