歐陽澍，劉成林, 2，程永舟，王文森，王小明， 4

(1. 南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院， 江西南昌 330031； 2. 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點實驗室， 湖南長沙410114； 3. 長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院， 湖南長沙 410114； 4. 長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院， 湖北武漢 430011)

河道整治工程中，丁壩是常用的水工建筑物。對于丁壩結(jié)構(gòu)周圍的水流特性，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的工作[1- 8]。傳統(tǒng)丁壩具有一定的局限性，影響河段的流態(tài)和自然環(huán)境，造成大量不必要的損失。隨著人們環(huán)境保護意識的提高，新型透水潛壩日益成為專家學(xué)者研究的重點。潛壩是保護河岸免受沖蝕，維護河相穩(wěn)定的常見河道整治工程建筑物，透水潛壩結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計既能滿足航道整治的需求，又對生態(tài)環(huán)境的影響較小。李若華等[9- 10]發(fā)現(xiàn)四面六邊透水框架和框架群能有效減小水體紊動動能，進而達到防沖促淤的效果。王普慶[11]通過水槽試驗研究了透水率、來流夾角對透水樁壩整治效果的影響。劉國起[12]利用數(shù)值模擬結(jié)合理論機理分析的方法重點研究了透水率、壩長、挑角、流速等因素對水力插板式透水丁壩周圍水流特性的影響。張為等[13]通過模型試驗分析不同透水性結(jié)構(gòu)對水流特性及泥沙運動的影響，發(fā)現(xiàn)合適尺寸的三角網(wǎng)可顯著改變水流結(jié)構(gòu)，阻水消能及促淤效果顯著。劉明洋等[14]通過數(shù)值計算模擬研究流量對生態(tài)丁壩附近流場特征。Yossef等[15]通過定床水槽試驗研究潛壩附近的流場、渦量和紊動能等三維水流特性。王小明等[16]基于OpenFOAM對梯形透水潛壩的三維流場進行了數(shù)值模擬，研究了透空率和流量對透水潛壩周圍三維水流特性的影響規(guī)律。顧杰等[17]采用超聲波水位和 PIV流速測量技術(shù)，在U形水槽中試驗研究了不同水力坡度下淹沒單丁壩對水流的影響。

綜上所述，目前對于透水潛壩的研究僅局限于壩體結(jié)構(gòu)周圍的水流結(jié)構(gòu)以及沖淤規(guī)律，學(xué)者們對于透空潛壩附近水流特性的影響因素認(rèn)識不夠深刻，不同因素下透空潛壩附近水流特性變化較為復(fù)雜，本文基于Flow3D數(shù)值模擬不同水流條件下透空潛壩附近的三維流場、渦量和紊動強度。根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果分析不同透空率、水深和流速情況下潛壩附近水動力特性變化規(guī)律，為透水潛壩的應(yīng)用研究提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 數(shù)值模型的建立

基于N-S方程和不可壓縮氣液兩相流理論建立三維數(shù)值水槽，計算網(wǎng)格利用Flow3D獨有的FAVOR網(wǎng)格處理技術(shù)進行解析。方程求解采用SIMPLE算法實現(xiàn)流體速度解耦，時間離散采用Euler格式。自由液面模擬采用流體體積法(VOF)精準(zhǔn)捕捉自由面而實現(xiàn)。數(shù)值水槽長16 m，寬0.4 m，高0.5 m，試驗水深0.15～0.35 m。水槽底部及邊壁和透空潛壩表面為固壁無滑移邊界。兩側(cè)面采用對稱邊界，通過簡化模型將網(wǎng)格數(shù)降低到原來的一半，而在后處理時利用模型對稱性還原整體模擬結(jié)果。入水口采用固定流速，出水口設(shè)置為固定水深恒壓自然出流。數(shù)值模型整體采用分區(qū)多塊漸變式網(wǎng)格?？紤]到水流為恒定單向流，數(shù)值水槽采用求解精度較高的邊長小于1 cm的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分。而對透空潛壩復(fù)雜結(jié)構(gòu)附近則采用網(wǎng)格劃分工具以邊長為5 mm的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行加密填充。同時潛壩表面設(shè)置邊界層網(wǎng)格，以保證其附近流場求解的精確性。為保證數(shù)值計算的穩(wěn)定性，潛壩附近至水槽其他區(qū)域網(wǎng)格密度漸進變化。數(shù)值水槽上邊界恒定來流、下邊界恒壓出流，壩前附近的斷面平均流速為控制條件。數(shù)值模型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分見圖1，數(shù)值水槽參數(shù)及工況設(shè)置見表1。

圖1 數(shù)值模型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格圖

數(shù)值水槽透水潛壩流量/(m3·h-1)水深H/m平均流速V/(m·s-1)透空率開孔直徑/mm開孔個數(shù)/個0.0900.150.0120.200.0150.250.0180.300.150.1517/23前23后210.0080.0120.0160.0200.0240.200.100.150.200.250.300.1517/23前23后210.0120.200.150.1014/170.1517/230.2020/170.2522/27前23后21

1.2 數(shù)值模型的驗證

圖2 水槽中軸線上各點垂向流速驗證結(jié)果(P=0.15，H=0.2 m，V=0.15 m/s)Fig.2 Verification of vertical velocity at each point on central axis of flume (P=0.15，H=0.2 m，V=0.15 m/s)

驗證試驗在長沙理工大學(xué)水利實驗中心PIV專用水槽中進行。水槽長16 m，寬0.4 m，高0.5 m，試驗水深0.15～0.35 m。水槽造流由計算機控制流量變化，水槽尾部設(shè)置格柵尾門以調(diào)節(jié)水位。流速測量采用Son Tek公司的超聲多普勒流速儀進行。水槽采用水泵供水，梯形透空式潛壩采用透明有機玻璃制成，長B=0.4 m，高h=0.1 cm，底寬b=0.1 cm。流場測試采用美國TSI公司的PIV系統(tǒng)，其中光源為雙脈沖激光，采用強激光(約為120 mJ) 以保證所測區(qū)域被均勻照亮。驗證試驗選取長0.4 m、高0.1 m、透空率為0.15的模型在水深0.2 m、流速0.15 m/s的工況條件下進行。通過對比PIV專用水槽水流試驗段壩前、壩上和壩后3個位置的垂線流速分布，得到垂線流速分布驗證結(jié)果。根據(jù)圖2驗證結(jié)果圖可知，數(shù)值模擬計算結(jié)果與PIV水槽試驗結(jié)果吻合度較好，誤差在合理范圍內(nèi)。這證明該數(shù)值模型可以很好地模擬梯形透空式潛壩附近的水流特性。

2 結(jié)果分析

2.1 透空率對梯形透空式潛壩周圍水流特性影響

以水深0.2 m、斷面平均流速0.15 m/s作為來水設(shè)置條件，同時以0.10，0.15，0.20，0.25共4種不同透空率潛壩結(jié)構(gòu)作為潛壩模型。不同透空率周圍立面流場特性分布情況如圖3，壩頂上部流速相較于其他地方有所增大，壩頂上方區(qū)域內(nèi)有明顯的壩后水域急流。在透水潛壩周圍壁面保護作用下，壩體腔內(nèi)和壩后7倍壩高范圍內(nèi)水域水流均較為平緩。壩頂右上方產(chǎn)生渦旋，并伴隨著回流現(xiàn)象。隨著透空率的增大，壩頂右上方渦旋強度減小，回流減弱。但透空率增大伴隨著壩體的流量增大，壩后底部回流受到影響，上升流減弱。壩前水流平順，腔內(nèi)整體水流比較平緩?？梢钥闯鱿嗤鳁l件下，透空率變化對壩后水域流速影響范圍變化較小。

由圖4紊動能圖可知，隨著透空率增大，壩前紊動強度變化不大，隨著潛壩透空率逐漸增大，壩后根部高紊動區(qū)強度逐漸增大。而壩后1～4倍壩高范圍內(nèi)紊動強度逐漸減小。前者是因為壩體透水能力增強后透水圓孔附近流速增大，與壩后緩流區(qū)水體摻混作用加劇而造成。而后者是由于潛壩透空率越大通過壩身的水流量也越大，在總流量恒定的前提下，壩上過流隨之逐漸減小。結(jié)合流場分布圖來分析這一現(xiàn)象會發(fā)現(xiàn)，壩后緩流區(qū)底部回流流速逐漸減小，上升流強度減弱，上升流與壩頂水流的摻混作用減弱。這也正是造成壩后上部流區(qū)紊動強度隨透空率增大而逐漸減小的原因。同時強紊動集中區(qū)剛好處于急流區(qū)與壩后緩流區(qū)分界線附近，分界線兩側(cè)流速差較大，中間區(qū)域水體交換劇烈，紊動作用加強。

圖3 不同透空率透水潛壩周圍立面流速場圖(H=0.2 m，V=0.15 m/s)

圖4 不同透空率透水潛壩周圍紊動能立面圖(H=0.2 m，V=0.15 m/s)(單位：J)

由圖5渦量圖可知，梯形透水潛壩附近渦量分布較強的位置主要是壩體頂側(cè)和透水圓孔附近。隨著透空率增大，即壩體前后面板透水圓孔孔徑增大，這兩個位置渦量分布強度先增后減，影響范圍變化不大。另外可以看到壩后較大渦量的位置分布和流速一致。值得一提的是正負(fù)渦量間隔分布的特點形成了壩后水域流場紊動的動力源。促使水體通過潛壩后與壩后上部急流形成摻混紊動作用，能量迅速耗散。同時透過壩體流量越來越大，壩后上升流強度在這樣的摻混紊動作用下也越來越弱，高度逐漸減小。而壩體腔內(nèi)，除在中部和透水圓孔附近水域渦量較大外，腔內(nèi)水體總體均較平緩。

圖5 不同透空率透水潛壩周圍渦量立面圖(H=0.2 m，V=0.15 m/s)(單位：s-1)

2.2 水深對梯形透空式潛壩周圍水流特性影響

為研究水深的變化對透水潛壩周圍水動力特性的影響，通過保證相同的潛壩模型結(jié)構(gòu)和斷面平均流速，改變水深來對比研究流場分布情況。不同水深條件下的三維水流特性分布見圖6。壩后水域急流主要集中在上部流區(qū)。而壩體腔內(nèi)及壩后約0.8 m范圍內(nèi)，水流均較為平緩。隨著壩前遠端水深增大，壩體腔內(nèi)水流流速逐漸減小，腔內(nèi)水域更加平緩。這是由于除了透水潛壩周圍壁面保護作用外，隨著水深逐漸增大壩上流量隨之增大。透壩水體經(jīng)過壩體時受到壩后水體的阻滯作用在壩體腔內(nèi)流速放緩。同時，壩前流速增大，勢能轉(zhuǎn)化為動能，斷面面積縮窄，水位降低形成水跌。但水跌高度會隨著水深的增大而逐漸減小。這時上部急流區(qū)、壩后上升流及底部回流等共同作用下形成了壩后漩渦回流現(xiàn)象。但隨著水深增大，透水率逐漸減小。這是由于斷面平均流速不變的前提下，水深增大，總流量增大，而透過壩身的流量變化不大，透水率自然越來越小。這時壩后底部回流變化也不大。

圖6 不同水深條件下透水潛壩周圍立面流速場圖(P=0.15，V=0.15 m/s)

由圖7可以看出水深的變化對于壩前紊動強度影響不大。由于壩頂上游側(cè)端部對水流的頂托與壩體透水孔的過流共同作用下，在壩后透水圓口邊緣和1～4倍壩高范圍內(nèi)形成一個高紊動強度集中區(qū)。隨著水深逐漸增大，潛壩附近高紊動區(qū)強度整體逐漸減小，但影響范圍變化不大。前者是因為水深增大后，潛壩過流流量變化不大，但由于壩后水位較高，透水圓孔附近流體受阻，流速減小上升流減弱。隨之透壩水流與上部高速流區(qū)的摻混紊動作用減弱。而后者是由于整個斷面平均流速在水深增大的過程中并沒有改變。即過壩水流在斷面平均流速恒定的前提下，透壩水流量變化不大，流場狀態(tài)變化不大，壩體腔內(nèi)及附近紊動能影響范圍變化不大。在水深逐漸增大的過程中，由于透水率越來越小，即透壩水流量所占比例越來越小。于是透壩水流與翻壩水流在壩后的摻混作用減弱。這也正是造成壩后上部流區(qū)紊動強度隨水深增大而逐漸減小的原因。

由圖8渦量圖可知，梯形透水潛壩頂側(cè)和透水圓孔附近渦量分布較強。隨著水深增大，壩頂強渦量區(qū)面積逐漸減小。因為水深增大潛壩壩上流量逐漸增大，相對流速減小，水流翻過壩頂時和潛壩之間的相互作用減弱，影響范圍就隨之減小。正負(fù)渦量間隔分布，這是渦旋形成的主要動力因素，形成了壩后水域流場紊動的動力源，促使水體通過潛壩后與壩后上部急流形成摻混紊動作用，能量迅速耗散。另外可以看到壩后較大渦量的位置分布和流速場一致。同時透過壩體的相對流量越來越小，壩后上升流與上部急流區(qū)之間的摻混紊動作用也越來越弱，紊動強度逐漸減小。而壩體腔內(nèi)，除在中部和透水圓孔附近水域渦量較大外，腔內(nèi)水體總體均較平緩。

圖7 不同水深條件下透水潛壩周圍紊動能立面圖(P=0.15，V=0.15 m/s)(單位：J)

圖8 不同水深條件下透水潛壩周圍渦量立面圖(P=0.15，V=0.15 m/s)(單位：s-1)

2.3 斷面平均流速對梯形透空式潛壩周圍水流特性影響

以梯形透水潛壩透空率為0.15，壩前遠端水深0.15 m作為試驗條件，同時以0.10，0.15，0.20和0.25 m/s共4種不同斷面平均流速作為來水設(shè)置條件。不同斷面平均流速條件下的三維水流特性分布情況如圖9，該水域范圍內(nèi)渦旋回流現(xiàn)象顯著，強度隨斷面平均流速的增大而增大。這是由于隨著斷面平均流速增大，透空率不變的條件下，翻壩水流流速整體增大。而翻壩水流又主要分布在壩后表層水流中。這樣的水流形態(tài)形成了穩(wěn)定的上升流。同時作為補充上升流所占空間，潛壩壩后底部又會形成穩(wěn)定回流流速。隨著壩上流速越來越大，壩后回流流速也逐漸增大。但隨著斷面平均流速增大，在流量一定的前提條件下，水面線形成的水跌高度也逐漸增大。壩前水流相對較為平順，壩體腔內(nèi)除透水孔附近流速較大外，腔內(nèi)整體水流比較平緩?？梢钥闯鱿嗤缚章蕽搲文Ｐ?，隨著斷面平均流速變化，在壩后0.6～0.8 m范圍內(nèi)的底部流區(qū)形成的“條帶狀”緩流區(qū)域范圍變化不大。但斷面平均流速的變化對壩體透水率影響不大。

圖9 不同斷面平均流速條件下透水潛壩周圍立面流場圖(P=0.15, H=0.20 m)

由圖10可以看出斷面平均流速的變化對壩前紊動強度影響不大。紊動強度較大的區(qū)域主要是壩體腔內(nèi)透水圓孔附近及壩后1～4倍壩高范圍內(nèi)上部流區(qū)形成的高紊動強度集中區(qū)?？梢钥闯鲭S著斷面平均流速逐漸增大，潛壩附近高紊動區(qū)紊動強度整體逐漸增大，但影響范圍變化不大。前者是因為斷面平均流速增大后，潛壩過流流量增大，相同透空率的透水潛壩結(jié)構(gòu)與水流之間的相互作用更加劇烈，紊動能強度更大。而后者是由于斷面平均流速在增大的過程中，潛壩本身的透水率基本沒有改變。即對于相同的透空率潛壩結(jié)構(gòu)，相同壩前遠端水深條件下，潛壩本身透水率變化不大。壩上翻壩水流量與透壩水流量的比例變化不大，壩體附近流場流態(tài)及紊動能分布范圍變化不大。

圖10 不同斷面平均流速條件下透水潛壩周圍紊動能立面圖(P=0.15, H=0.2 m)(單位：J)

由圖11渦量圖可知，隨著斷面平均流速增大，壩體頂側(cè)和透水圓孔附近渦量分布強度逐漸增大，影響范圍變化不大。另外可以看到壩后較大渦量的位置分布和流速一致。正負(fù)渦量間隔分布的特點形成了壩后水域流場紊動的動力源。促使水體通過潛壩后與上部急流形成摻混紊動作用，能量迅速耗散。總體來說，渦量強度較大的位置主要分布在潛壩前后透水孔附近及壩頂端上游側(cè)到壩后下游范圍內(nèi)。

圖11 不同斷面平均流速條件下透水潛壩周圍渦量立面圖(P=0.15, H=0.20 m)(單位：s-1)

3 結(jié) 語

本文通過Flow3d數(shù)值模擬計算明渠水槽中透水潛壩周圍的流速場、紊動能、渦量等的分布情況，得到潛壩透空率、水深及斷面平均流速等因素對其水動力特性的影響。

(1) 相同水流條件下，潛壩透空率的變化對壩后緩流區(qū)范圍影響不大。但壩后回流流速隨透空率增大而逐漸減小且回流區(qū)域位置沿順?biāo)鞣较蛳乱?。隨著潛壩透空率逐漸增大，壩后根部紊動強度逐漸增大，而壩后1～4倍壩高范圍內(nèi)紊動強度逐漸減小，渦量先增后減。

(2) 同一透空率潛壩，在相同斷面平均流速條件下隨著水深增大，腔內(nèi)水流流速逐漸減小，水流更加平緩。而壩上流速隨之增大，透水率逐漸減小。當(dāng)水深增大，潛壩附近紊動強度整體減小，但紊動范圍變化不大，壩頂強渦量區(qū)面積也在減小。

(3) 同一透空率潛壩，在相同水深條件下隨著斷面平均流速增大壩體腔內(nèi)及壩后約4倍壩高范圍內(nèi)，渦旋回流強度逐漸增大，潛壩附近高紊動區(qū)紊動強度整體變大，但影響范圍變化不大。另外壩體頂側(cè)和透水圓孔附近正負(fù)渦量間隔分布，強度逐漸增大。