范曉飚,曾 倩,冀 楠,錢(qián)志鵬,鄧小兵

(重慶交通大學(xué) 航運(yùn)與船舶工程學(xué)院,重慶 400074)

0 引 言

丁壩作為河道中經(jīng)常可看見(jiàn)的河道整治建筑物,研究其周?chē)魈匦跃哂兄匾乃W(xué)研究?jī)r(jià)值。同時(shí),這項(xiàng)研究對(duì)于確定丁壩的壩長(zhǎng)以及合理安排丁壩間距等具有重要的指導(dǎo)意義。由丁壩束窄作用和壩間垂直漩渦的產(chǎn)生造成的水位凹陷、因高速水流泄入引起的不封閉回流區(qū)、壩間及壩后漩渦個(gè)數(shù)、回流區(qū)長(zhǎng)度和寬度、壩間底面剪切應(yīng)力的大小均為影響丁壩護(hù)岸的重要因素。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)丁壩附近的水流特性問(wèn)題進(jìn)行了較為豐富的研究,但對(duì)雙丁壩壩間、壩后的流場(chǎng)及回流特性的研究鮮有報(bào)道。M.PANDEY等[1]通過(guò)對(duì)角度為90°的彎道T形丁壩進(jìn)行沖刷試驗(yàn)得出,隨著長(zhǎng)度以及弗勞德數(shù)的增加,丁壩的沖刷量也隨之增加,當(dāng)丁壩翼長(zhǎng)加長(zhǎng)時(shí),丁壩沖刷隨之減少;寧健[2]采用數(shù)值模擬與水槽試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行研究,研究河寬縮窄率以及弗勞德數(shù)對(duì)單丁壩繞流流場(chǎng)和丁壩間距對(duì)丁壩群的水流結(jié)構(gòu)的影響;常福田等[3]在矩形水槽中對(duì)非淹沒(méi)式丁壩群壩后沿程水流速度及回流變化進(jìn)行了分析,提出了群壩間距的最合理布置規(guī)律;胡華峰[4]研究了單丁壩在水槽的繞流情況,并得出流速在壩后主流區(qū)要高于壩后回流區(qū)的結(jié)論;鄭艷等[5]研究了回流區(qū)長(zhǎng)度因丁壩長(zhǎng)度變化的影響,二維數(shù)值模擬研究了丁壩(非淹沒(méi)型)的流場(chǎng);J.YAZDI等[6]使用Fluent數(shù)值模型對(duì)具有自由表面流動(dòng)的單丁壩周?chē)鲬B(tài)進(jìn)行了模擬,同時(shí)給出了床面剪應(yīng)力分布,并分析了流量、丁壩長(zhǎng)度和角度對(duì)床面剪應(yīng)力分布的影響;R.KUHNLE等[7]使用聲學(xué)多普勒測(cè)速儀在一個(gè)有淹沒(méi)丁壩的固定沖刷床上的密布網(wǎng)格上測(cè)量了三維流速,得出了一般的速度分布以及近場(chǎng)流動(dòng)結(jié)構(gòu);李洪[8]通過(guò)數(shù)值模型對(duì)單丁壩和雙丁壩在淹沒(méi)和非淹沒(méi)條件下丁壩影響區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)變化規(guī)律及自由水面的影響趨勢(shì)進(jìn)行研究,并采用二維和三維數(shù)學(xué)模型研究丁壩周?chē)鲌?chǎng)及水面模擬方法,根據(jù)實(shí)際的河道整治工程,選取合適的數(shù)學(xué)模型;徐曉東[9]研究表明,非淹沒(méi)正交雙體丁壩不同壩長(zhǎng)使得河流在丁壩壩體附近的水流繞流形態(tài)及壩后水面和流場(chǎng)變化變得復(fù)雜,當(dāng)水流流經(jīng)上游丁壩時(shí),隨著壩長(zhǎng)的增加,最高壅水面提高,主流區(qū)回落幅度增大,主流寬度縮窄增強(qiáng),過(guò)流流速持續(xù)增大,同時(shí)1號(hào)丁壩回流區(qū)對(duì)2號(hào)丁壩的影響程度越來(lái)越強(qiáng);韓玉芳[10]研究表明,水流流向丁壩上游產(chǎn)生壅水現(xiàn)象使得水面向丁壩另一側(cè)河岸傾斜,而在丁壩斷面后水面普遍下凹,壩頭因水流過(guò)分密集,會(huì)出現(xiàn)局部沖刷坑。

筆者采用計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CCM+,以RANS方程為基礎(chǔ),結(jié)合VOF方法和Realizable湍流模型,對(duì)雙丁壩流場(chǎng)及回流特性進(jìn)行了數(shù)值模擬;同時(shí),通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,驗(yàn)證了所采用數(shù)值模擬方法的可靠性;利用該數(shù)值模型探究了丁壩長(zhǎng)度(河寬縮窄率)以及壩距對(duì)航道水位、流速變化、回流區(qū)影響和航道底面剪切力的變化。

1 數(shù)值方法

筆者采用了不可壓縮流動(dòng)的RANS方程,其中控制方程包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程,分別如式(1)、式(2):

(1)

(2)

同時(shí),對(duì)于式(1)、式(2),采用Realizable湍流模型進(jìn)行封閉。在此模型中,湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε的方程分別如式(3)、式(4):

(3)

(4)

式中:k為湍流動(dòng)能;ε為湍流耗散率;μt為湍流黏性系數(shù)。

另外,筆者特別關(guān)注了自由液面的影響。自由液面的處理采用VOF界面捕捉法。其基本原理在于通過(guò)分析網(wǎng)格單元中流體和網(wǎng)格體積的比例函數(shù)來(lái)確定自由液面,以追蹤流體的變化,而不是跟蹤自由液面上質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。

筆者采用Realizablek-ε湍流模型的考慮有兩個(gè):一是筆者課題組在前期研究船舶流態(tài)時(shí),對(duì)此湍流模型進(jìn)行了相關(guān)研究,確認(rèn)此湍流模型在船舶尾部三維區(qū)域內(nèi)的流態(tài)模擬仍能獲得較好的計(jì)算精度[11],但仍然要說(shuō)明的是,船舶尾部的型線(xiàn)光順程度要遠(yuǎn)好于丁壩矩形壩頭,使得計(jì)算結(jié)果變差[12],但k-ε的計(jì)算精度能滿(mǎn)足船舶精細(xì)化研究,而對(duì)于丁壩這種外形簡(jiǎn)單的水工建筑,其精度是可以保證的;二是文中研究側(cè)重點(diǎn)在宏觀流場(chǎng)變化,而且將數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,確認(rèn)在距丁壩一定距離外的河道流態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好,因此即使丁壩附近的流態(tài)不符合現(xiàn)實(shí)情況,也認(rèn)為其并不影響較大范圍內(nèi)的河道流態(tài)變化。

2 丁壩回流區(qū)分區(qū)

丁壩分為4個(gè)區(qū)域,如圖1。Ⅰ區(qū)位于丁壩上游,稱(chēng)為壅水區(qū);Ⅱ區(qū)為主流區(qū);Ⅲ區(qū)為AC線(xiàn)以?xún)?nèi)的區(qū)域,其中,A點(diǎn)為丁壩壩頭,C點(diǎn)為水流流向分叉點(diǎn),水流在C點(diǎn)分成流向下游和反向流向上游,BC線(xiàn)以?xún)?nèi)即為負(fù)流速區(qū),BC線(xiàn)以外即為正流速區(qū);Ⅳ區(qū)為恢復(fù)區(qū),水流恢復(fù)到無(wú)丁壩狀態(tài)。

圖1 丁壩附近水流分區(qū)Fig. 1 Water flow zoning near spur dike

3 數(shù)值驗(yàn)證

3.1 丁壩流場(chǎng)模擬

丁壩流場(chǎng)的驗(yàn)證參照J(rèn).JEON等[13]的試驗(yàn)。

水槽模型的尺寸為6.5 m(長(zhǎng))× 0.9 m(寬)× 0.262 5 m(高),初始水深為h=0.210 0 m。丁壩厚度D=0.040 0 m,高度H=0.262 5 m,軸線(xiàn)長(zhǎng)l=0.300 0 m,此模型為非淹沒(méi)式直丁壩。水流進(jìn)口位于丁壩軸線(xiàn)前1.500 0 m處,進(jìn)口處水流速度為U0=0.144 0 m/s,且進(jìn)口水流量保持恒定,Q=0.027 0 m3/s。模型的進(jìn)口和頂部被設(shè)定為速度進(jìn)口,出口設(shè)定為壓力出口,其他邊界設(shè)定為無(wú)滑移壁面。丁壩計(jì)算模型的邊界條件及坐標(biāo)系示意如圖2(a)。

圖2 網(wǎng)格及探針線(xiàn)布置示意Fig. 2 Grid and probe line layout diagram

3.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

首先進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,采用了3種不同密度的網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行測(cè)試。這3種網(wǎng)格分別為粗糙網(wǎng)格s1、中等網(wǎng)格s2和精細(xì)網(wǎng)格s3。網(wǎng)格數(shù)量分別為488 84、111 656和259 548,以驗(yàn)證網(wǎng)格密度對(duì)結(jié)果的影響。

在丁壩上、下游選取4個(gè)河道截面,并設(shè)置4根探針線(xiàn)來(lái)測(cè)量水流流速,通過(guò)將所測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證流場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確性。4根探針?lè)謩e位于X/L=-3.33,-0.90,1.67,3.33處,探測(cè)范圍覆蓋整個(gè)河道寬度。丁壩模型一半水深平面探針線(xiàn)的布置如圖2(b)。

中等網(wǎng)格和精細(xì)網(wǎng)格的模擬結(jié)果更貼近于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖3)。考慮到計(jì)算工況計(jì)算域很大,部分丁壩算例為了研究丁壩后回流區(qū)特性而極大地延長(zhǎng)了計(jì)算域的橫向長(zhǎng)度。因此在綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間兩個(gè)因素的前提下,選擇了中等網(wǎng)格s2。

圖3 4根探針下3套網(wǎng)格X向流速模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較Fig. 3 Comparison between simulated and experimental values of X-direction flow velocity for three sets of grids under four probes

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 計(jì)算工況

丁壩壩長(zhǎng)l和壩距d是雙丁壩影響河道流態(tài)的主要因素。文中計(jì)算工況中設(shè)定航道總長(zhǎng)L=135 m,航道寬度為B=17 m,河道左側(cè)入口流速恒定為U0=0.9 m/s,計(jì)算工況的初始水深為h=2 m,如圖4。分別改變丁壩壩長(zhǎng)l和壩距d,從而獲得不同的河道流態(tài),所有工況設(shè)置如表1,共計(jì)算10組不同壩長(zhǎng)和壩距下的計(jì)算工況。入口流速是依據(jù)模擬工況中壩長(zhǎng)為1.7 m丁壩的速度傅汝德數(shù)與長(zhǎng)江航道平均流速中常見(jiàn)丁壩的速度傅汝德數(shù)相等的原則換算而來(lái)。河寬縮窄率為丁壩壩長(zhǎng)和河道寬度的比值。

表1 計(jì)算工況

圖4 計(jì)算工況俯視圖Fig. 4 Top view of calculation condition

數(shù)值計(jì)算穩(wěn)定的判別為高流速區(qū)漩渦分裂及融合。圖5展示了河寬縮窄率為0.4時(shí)壩后高流速帶和低流速帶在一個(gè)周期內(nèi)的擺動(dòng)情況。由圖5可以發(fā)現(xiàn),在一個(gè)周期內(nèi),上部高流速帶內(nèi)形成了多個(gè)高流速核心漩渦,隨后這些漩渦逐漸融合。而在低流速帶內(nèi),漩渦核心首先融合成一個(gè)單一漩渦,與高流速核心區(qū)上下對(duì)應(yīng),隨后又分裂為多個(gè)漩渦,形成了明顯的周期性變化,即數(shù)值計(jì)算穩(wěn)定。

圖5 河寬縮窄率為0.4時(shí)流速分布周期性擺動(dòng)示意Fig. 5 Flow velocity distribution periodic oscillation diagram when river width narrowing rate is 0.4

4.2 航道水位變化

4.2.1 壩距一定時(shí),丁壩長(zhǎng)度(河寬縮窄率)對(duì)水位的影響

當(dāng)水流流向丁壩時(shí),受丁壩阻力作用,水流流速降低,水位壅高;當(dāng)水流流到丁壩位置時(shí),由于河面束窄,水力坡度變化,梯度增大;當(dāng)水流繞過(guò)丁壩后,由于水流慣性作用,主流持續(xù)收縮,水位降低明顯,然后水流持續(xù)擴(kuò)散與天然河流相連,恢復(fù)到無(wú)丁壩的平穩(wěn)情況。為了研究當(dāng)壩距一定時(shí),丁壩長(zhǎng)度(河寬縮窄率)對(duì)水位的影響,以丁壩壩距d=20 m為例,分析不同丁壩長(zhǎng)度(河寬縮窄率)時(shí)的河道水面水位高度云圖(圖6)。其中,為了更明顯看出波面起伏情況,將波面高度擴(kuò)大5倍,丁壩高度為原高度,如圖6(e)。由圖6可知,隨著丁壩長(zhǎng)度(河寬縮窄率)的增大,丁壩上游的壅水高度及壅水范圍逐漸增加,兩丁壩之間的水面跌落也越明顯,形成水面凹陷,且凹陷范圍覆蓋整個(gè)河道寬度。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有兩種:

圖6 不同河寬縮窄率時(shí)河道水面水位高度云圖Fig. 6 Cloud map of river surface water level height with different river width narrowing rates

1)當(dāng)左側(cè)入口水流在流至上游丁壩位置處,由于丁壩的束流作用,河道收窄,使流過(guò)此處的水流流速增大且水位提高;流過(guò)上游丁壩后又由于河道寬度重新變大而流速減小,水位降低,形成明顯的水位跌落現(xiàn)象,從而產(chǎn)生水位凹陷Ⅰ。

2)由于水流繞過(guò)上游丁壩壩頭一定角度后邊界層產(chǎn)生分離,分離點(diǎn)以下位置沿壩頭表面逆向流動(dòng),并在兩壩之間形成旋轉(zhuǎn)角速度較大的立軸漩渦,從而造成水位凹陷Ⅱ。

4.2.2 丁壩長(zhǎng)度(河寬縮窄率)一定時(shí),壩距對(duì)水位的影響

兩種壩長(zhǎng)下不同壩距的自由液面處水位分布如圖7。由圖7可以看出,因丁壩的壅水作用,上游丁壩壩前水位升高。隨著壩距的增大,下游丁壩后方水位的凹陷區(qū)域逐漸減小,水位逐漸升高。當(dāng)壩距增大到4倍壩長(zhǎng)時(shí),水位的凹陷區(qū)域從丁壩下游收縮至兩丁壩之間。由圖7(d)可知,下游丁壩壩頭處形成了一個(gè)低水位凹陷區(qū),并向丁壩下游逐漸脫落形成多個(gè)凹陷區(qū)域,產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。同時(shí)水面形成的波浪向下游傳播,當(dāng)丁壩壩長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí),雙丁壩會(huì)造成壩后水流流態(tài)不穩(wěn)定。

圖7 不同壩距的水位分布Fig. 7 Water level distribution at different dam distances

4.3 航道流速變化

4.3.1 壩距一定時(shí),丁壩長(zhǎng)度(河寬縮窄率)對(duì)流速的影響

當(dāng)水流遇到上游丁壩時(shí),上游來(lái)流速度比較穩(wěn)定,在水流通過(guò)丁壩時(shí),會(huì)產(chǎn)生明顯的水流偏轉(zhuǎn),形成主流區(qū)和回流區(qū)。主流區(qū)內(nèi)的流速迅速增加,一旦水流越過(guò)丁壩,主流區(qū)的流速持續(xù)上升,并在壩后形成低速回流區(qū)。筆者分析了不同河寬縮窄率下流場(chǎng)流速的變化。不同河寬縮窄率下的流速分布如圖8。由圖8可以看出,下游丁壩位于上游丁壩的回流保護(hù)范圍內(nèi),隨著河寬縮窄率的增加,挑流作用增強(qiáng),主流區(qū)收縮斷面減小,流速明顯增大。壩間回流區(qū)流速逐漸增大,對(duì)兩壩間航道沖刷加劇;下游丁壩后回流區(qū)隨著河寬縮窄率的增加,流速逐漸增加,回流結(jié)束后,斷面流速并沒(méi)有馬上恢復(fù)無(wú)壩狀態(tài),在有丁壩一側(cè)還存在較長(zhǎng)距離的小流速區(qū),河寬縮窄率越大,丁壩一側(cè)河岸受到的保護(hù)范圍越大。其中繞流狀態(tài)時(shí)雙丁壩的布置既可以充分起到束水、護(hù)岸作用,又可以保護(hù)第2個(gè)丁壩,緩解其壩頭沖刷,在護(hù)岸范圍比較大、通航級(jí)別和束水要求比較高的整治工程中可酌情推廣使用。

圖8 不同河寬縮窄率下的流速分布Fig. 8 Flow velocity distribution with different narrowing rates of river width

因?yàn)殡p丁壩的流場(chǎng)復(fù)雜,而且各流區(qū)的流速沿程變化較大,為了更直觀觀察壩長(zhǎng)(河寬縮窄率)對(duì)流速的影響,對(duì)丁壩壩長(zhǎng)為5 m,壩距為20 m的計(jì)算工況,在兩壩之間x/L=0.26,探測(cè)范圍為整個(gè)河道寬度處布置一條沿y軸方向的探測(cè)線(xiàn),探測(cè)線(xiàn)位于水面處的不同河寬縮窄率流速變化如圖9。由圖9可知,水流流速隨著河岸寬度的增加而增加,當(dāng)河岸寬度增加到一定時(shí),流速趨于平穩(wěn),直至水流趨近于航道無(wú)丁壩一岸時(shí)流速明顯下降。

圖9 水面處不同河寬縮窄率下的流速變化曲線(xiàn)Fig. 9 Flow velocity variation curves of different river width narrowing rates at water surface

4.3.2 丁壩長(zhǎng)度(河寬縮窄率)一定時(shí),壩距對(duì)流速的影響

不同壩距的流速分布如圖10。由圖10可知,隨著壩距逐漸增大,兩壩之間產(chǎn)生一個(gè)高流速漩渦且漩渦區(qū)域逐漸增大。兩丁壩之間回流區(qū)不封閉,下游丁壩壩頭處有高速水流泄入,從而削弱了雙丁壩兩壩之間的護(hù)岸作用。下游丁壩壩后高流速漩渦區(qū)隨著壩距的增加而縮小,直至壩距增加到一定程度時(shí),下游丁壩壩后流速趨于0,從而增強(qiáng)了雙丁壩壩后的護(hù)岸作用。

圖10 不同壩距的流速分布Fig. 10 Flow velocity distribution at different dam distances

4.4 航道回流區(qū)變化

4.4.1 壩距一定時(shí),丁壩長(zhǎng)度(河寬縮窄率)對(duì)回流區(qū)的影響

不同河寬縮窄率的流線(xiàn)分布如圖11。壩后回流區(qū)的長(zhǎng)度定義為圖1中A、C兩點(diǎn)間在X方向上的縱向距離;回流區(qū)寬度定義為圖1中BC曲線(xiàn)上在Y方向上的最大橫向距離。由于丁壩的束窄作用,主流區(qū)水流突然急速收縮,流速增大,水流沖擊上游丁壩迎水面后,在壩間出現(xiàn)回流,時(shí)均流線(xiàn)分為兩種情況:第1種水流保持前進(jìn)運(yùn)動(dòng)繼續(xù)向下游丁壩發(fā)展;第2種為壩后水流與側(cè)壁分離,形成極度紊亂的回流區(qū)并形成一個(gè)順時(shí)針的漩渦。水流繞過(guò)下游丁壩壩頭后,仍會(huì)形成一段收縮斷面,回流區(qū)形成一系列順時(shí)針?shù)鰷u,直至回流消失,水流恢復(fù)到無(wú)丁壩狀態(tài)。

圖11 不同河寬縮窄率的流線(xiàn)分布Fig. 11 Streamline distribution of different river width narrowing rates

為了方便比較,將參數(shù)無(wú)量綱化,不同河寬縮窄率的回流區(qū)變化情況如表2。由表2可知,當(dāng)壩距一定時(shí),隨著河寬縮窄率的增加,壩間回流長(zhǎng)度與壩長(zhǎng)的比值及回流寬度與壩長(zhǎng)的比值隨之減小,下游丁壩壩后漩渦個(gè)數(shù)也隨著河寬縮窄率的增加而增加,同時(shí)壩后回流長(zhǎng)度與壩長(zhǎng)的比值及回流寬度與壩長(zhǎng)的比值隨之增大,回流區(qū)的漩渦范圍逐漸增大。

表2 不同河寬縮窄率的回流區(qū)變化情況

4.4.2 丁壩長(zhǎng)度(河寬縮窄率)一定時(shí),壩距對(duì)回流區(qū)的影響

不同壩距回流區(qū)變化情況如表3。由表3可知,當(dāng)壩長(zhǎng)一定時(shí),隨著壩距的增大,壩間回流長(zhǎng)度與壩長(zhǎng)的比值及回流寬度與壩長(zhǎng)的比值隨之增大。同時(shí)壩后回流長(zhǎng)度與壩長(zhǎng)的比值及回流寬度與壩長(zhǎng)的比值隨之減小,回流區(qū)的漩渦范圍也逐漸減小。不同壩距對(duì)回流區(qū)影響如圖12。由圖圖12(c)、圖12(e)可知,水流流過(guò)上游丁壩后在壩間形成一個(gè)順時(shí)針?shù)鰷u,水流再繞過(guò)下游丁壩壩頭,在壩后形成回流區(qū),直至恢復(fù)到無(wú)丁壩時(shí)水流。而圖12(a)和圖12(d)情況有些許差異,水流流過(guò)上游丁壩后在兩壩間壩頭位置處形成一個(gè)順時(shí)針?shù)鰷u,水流繼續(xù)流過(guò)下游丁壩,在壩后形成回流區(qū)。當(dāng)水流回流到下游回流區(qū)尾部時(shí),水流反向流回下游丁壩并流入兩壩之間,形成一個(gè)逆時(shí)針?shù)鰷u。

圖12 不同壩距對(duì)回流區(qū)影響Fig. 12 Influence of different dam distances on reflux area

4.5 航道底面剪切力變化

4.5.1 壩距一定時(shí),丁壩長(zhǎng)度(河寬縮窄率)對(duì)剪切力的影響

不同河寬縮窄率對(duì)底面剪切力的影響如圖13。由圖13可看出,隨著壩長(zhǎng)(河寬縮窄率)的增大,上游丁壩壩頭處因丁壩束窄作用所受到的剪切應(yīng)力值逐漸增大且受力范圍逐漸擴(kuò)大,兩壩之間的低剪切應(yīng)力漩渦范圍也隨之減小,下游丁壩壩前處出現(xiàn)一條高剪切應(yīng)力沖刷帶,并隨著壩長(zhǎng)(河寬縮窄率)的增加,沖刷帶逐漸加寬,剪切應(yīng)力逐漸增大,下游丁壩壩后形成的高剪切應(yīng)力漩渦中心值也逐漸增大。

圖13 不同河寬縮窄率對(duì)底面剪切力的影響Fig. 13 Influence of different river width narrowing rate on bottom shear force

4.5.2 丁壩長(zhǎng)度(河寬縮窄率)一定時(shí),壩距對(duì)剪切力的影響

壩長(zhǎng)為3.4 m時(shí)不同壩距的底面剪切應(yīng)力分布如圖14。由圖14可知,當(dāng)壩長(zhǎng)一定時(shí),壩距越長(zhǎng),兩壩之間的底面剪切應(yīng)力增大,這說(shuō)明雙丁壩壩距過(guò)大的情況下,水流對(duì)壩間距的河道沖刷強(qiáng)度大,造成丁壩護(hù)岸效果被削弱。同時(shí)下游丁壩后方剪切應(yīng)力亦呈現(xiàn)脫落渦的形式,并隨著壩距的增大,剪切應(yīng)力脫落渦逐漸明顯且數(shù)值增大。剪切應(yīng)力的大小是由于水流變化引起的,由于高速漩渦的移動(dòng),造成不同位置處水流流速變化,因此剪切應(yīng)力的大小也隨之變化。

圖14 壩長(zhǎng)為3.4 m時(shí)不同壩距的底面剪切應(yīng)力分布Fig. 14 Distribution of bottom shear stress at different dam distances when the dam is 3.4 m long

5 總 結(jié)

筆者通過(guò)CFD數(shù)值計(jì)算的方法,對(duì)雙丁壩河道內(nèi)水流流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬,得出了不同丁壩長(zhǎng)度(河寬縮窄率)以及壩距對(duì)航道水位變化、流速變化、回流區(qū)影響和航道底面剪切力等參數(shù)變化的詳細(xì)數(shù)據(jù),得到以下結(jié)論:

1)航道水位變化:當(dāng)壩距一定時(shí),隨著河寬縮窄率的增大,丁壩上游的壅水及范圍增加,兩壩間的水面跌落也越明顯,形成兩種水面凹陷,且凹陷范圍覆蓋整個(gè)河道寬度。當(dāng)壩長(zhǎng)一定時(shí),隨著壩距的增大,下游丁壩后方水位的凹陷區(qū)域減小,水位升高,水位的凹陷區(qū)域從丁壩下游收縮至兩丁壩之間。

2)航道流速變化:隨著河寬縮窄率的增加,挑流作用增強(qiáng),主流收縮斷面減小,流速明顯增大。壩間回流區(qū)流速增大,對(duì)兩壩間航道沖刷加劇。隨著壩距逐漸增大,壩間回流區(qū)不封閉,有高速水流泄入,下游丁壩壩后高流速漩渦區(qū)減小,直至流速減小為0。

3)航道回流區(qū)變化:隨著河寬縮窄率的增加,壩間回流長(zhǎng)度及寬度與壩長(zhǎng)的比值減小,下游丁壩壩后漩渦個(gè)數(shù)增加,壩后回流長(zhǎng)度及寬度與壩長(zhǎng)的比值增大。隨著壩距的增大,兩壩間回流漩渦長(zhǎng)度及寬度與壩長(zhǎng)的比值增大,壩后回流漩渦長(zhǎng)度及寬度與壩長(zhǎng)的比值減小。當(dāng)壩長(zhǎng)l=5.0 m,壩距d=10.0 m及壩長(zhǎng)l=3.4 m,壩距d=6.8 m時(shí)會(huì)發(fā)生水流逆流回兩壩間,形成逆時(shí)針?shù)鰷u。

4)航道底面剪切力變化:隨著河寬縮窄率的增大,上游丁壩壩頭處的剪切應(yīng)力值增大且受力范圍擴(kuò)大,下游丁壩顯現(xiàn)高剪切應(yīng)力沖刷帶,沖刷帶加寬,沖刷加劇。隨著壩距增大,壩間底面剪切應(yīng)力增大,下游丁壩后方剪切應(yīng)力脫落渦明顯且數(shù)值增大。