顧 莉,華祖林,褚克堅,劉曉東

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室,江蘇南京 210098;2.河海大學環(huán)境學院,江蘇南京 210098)

分汊型河道是天然河道中經(jīng)常遇到的河道形態(tài),如長江中下游、珠江廣東段、贛江、湘江、松花江、黑龍江、美國密西西比河、非洲Niger河和Benue河等都經(jīng)常遇到.一般分汊河道由順直段、分汊段和再匯合段3部分組成.分汊河道中往往存在平面回流、斷面環(huán)流、螺旋流、曲線剪切層和高紊動強度等許多復雜的水力現(xiàn)象,水流具有強烈的三維紊流特性,其水流流態(tài)的復雜多變,對河道泥沙運動、污染物質(zhì)運移、河道整治、水工建筑物設計及排污口設計均會產(chǎn)生較大的影響.因此,對分汊河道水流紊動規(guī)律進行深入研究十分必要.前人對水流紊動特性的研究多集中在一般順直或彎曲河道中,以及丁壩、引水口和射流等區(qū)域[1-7],針對分汊河道水流紊動特性的深入研究尚不多見.目前有關分汊河道的研究多為其河床演變規(guī)律、分流比計算方法、水沙運動特征等方面[9-10],并且針對分汊河道中的分汊口或交匯口的水動力特性研究也相對較多[11-13].本文針對典型的順直微彎分汊河道,通過物理模型試驗探究了在不同汊道寬度比和上游來流量條件下,分汊河道中沿程不同橫斷面的紊動強度變化過程,對表、中、底3層垂向不同深度的平面紊動強度分布進行比較分析,解析并探討上游流量和汊道寬度比對汊道水流紊動的影響機制,可為掌握分汊流的紊動特征與機制提供基礎性的積累.

1 試驗系統(tǒng)與模型裝置

試驗安排在一個特制的水槽中進行,水槽全長25m,可進行±1°的變坡,水槽中間段特別做成放寬的矩形(4m×2.2m×0.6m),以便安裝分汊河道模型,其余部分保持為寬0.5m、高0.6m的直槽.圖1為試驗模型及設備的平面布置示意圖.試驗測量段由主河道、支汊1和支汊2三部分組成,各個汊道的橫斷面均為矩形,主支汊的縱坡均為0.2%.

試驗中,水槽流量由進口閥門、電磁流量計以及量水堰共同控制,平水頭水箱處于一定高度以保證水頭恒定.主河道寬度B0=0.5m,支汊1與支汊2的寬度分別為 B1和 B2,兩汊總寬 B1+B2=0.7m,展寬率等于1.40,接近理論展寬率1.42[14].中心島位置可以移動以改變支汊寬度比,定義支汊1寬度比B*=B1/(B1+B2),本文選取3個不同B*,分別為0.33,0.41,0.50.下游主河道水深H固定為14.9 cm,并選取2種不同的上游來流量Q,具體試驗工況見表1.圖2為試驗斷面量測布置圖,試驗中各橫斷面的垂線量測個數(shù)根據(jù)支汊1寬度比 B*而有所變化,每條垂線上設置7個測點.同時考慮本次試驗量測工作量很大,對工況4～6只針對分汊前、中、后的典型斷面進行量測用于對比分析,具體為斷面B,L4,L7,L9,R4,R7,R9和C.

圖1 試驗模型平面布置示意圖(單位:mm)Fig.1 Plan sketch of experimental model(units:mm)

表1 試驗工況Table 1 Experimental conditions

圖2 橫斷面位置(單位:mm)Fig.2 Locations of cross sections(units:mm)

試驗采用美國SonTek公司進口的16MHz聲學多普勒流速計M icro ADV測量水流的三維流速、紊動強度和雷諾應力等水動力參數(shù).M icro ADV在每個測點以50Hz頻率采樣32s,每點共有1600個瞬時數(shù)據(jù).紊動能k用工況1的主河道平均流速的平方進行無量綱化處理后記為k*,紊動能定義參照文獻[15].

2 試驗結果及分析

2.1 水流紊動能平面分布特征

圖3 工況1平面紊動能分布Fig.3 Turbulent kinetic energy in three p lanes for condition 1

工況1(B*=0.50)的水平面紊動能分布特征見圖3.由圖3(a)可知中層的高紊動能分布在支汊前半段,這是由于水流在分汊口被分流,進入支汊后流線急劇彎曲,凹岸水流分離形成回流區(qū),過流斷面束窄后,在凸岸相應形成高流速區(qū),回流區(qū)與高流速區(qū)之間的過渡地帶流速梯度大,剪切作用顯著,水流紊動也最為劇烈.隨著水流下移,回流區(qū)消失,原有過渡地帶的流速梯度沿程逐漸減小,紊動能也相應降低.水流經(jīng)過支汊彎道頂點斷面后,紊動能差異明顯減小.水流運動到交匯斷面,兩股水流在島嶼尾尖后方區(qū)域擠壓摻混,該區(qū)域脈動動能大于兩側岸邊區(qū)域.分汊河道紊動能的平面分布在垂向存在差異,尤其在支汊前半段,高紊動區(qū)的強度與范圍明顯不同.由圖3(b)和(c)可知,表層和底層的高紊動區(qū)的量值均小于中層,且中層與底層量值相差較大;垂向3層的高紊動區(qū)出現(xiàn)的位置由表層至底層呈現(xiàn)由斷面中心逐漸偏向凹岸的趨勢,底層的高紊動區(qū)基本貼著凹岸分布;垂向3層的高紊動區(qū)范圍也有所變化,底層高紊動區(qū)范圍最小,僅在兩個支汊進口段存在,中層高紊動區(qū)范圍最大,由進口段一直延續(xù)到支汊彎道頂點,表層高紊動區(qū)范圍略小于中層.

圖4為工況2和工況3的中層平面紊動能分布圖.比較圖3和圖4可知,工況1的兩支汊關于中心島對稱分布,兩支汊的寬度相等(B*=0.50),支汊中的紊動能也基本呈對稱分布.當B*從0.50減小到0.41時(工況2),左右支汊寬度不等,支汊2變?yōu)橹縻?支汊1中高紊動區(qū)相比于支汊2其量值與范圍均有所下降(圖4(a)).當B*減小到0.33時(工況3),兩支汊寬度的差距進一步加大,支汊2的寬度約為支汊1的2倍,支汊2的回流區(qū)尺寸與凸岸側流速值進一步增加,引起高紊動區(qū)的范圍擴大,向支汊出口段延伸;相反,支汊1中流速減緩,回流區(qū)尺寸縮小,高紊動區(qū)的量值與范圍與支汊2相比都顯著減小(圖4(b)).可見,不同支汊寬度比對平面紊動能分布的影響主要體現(xiàn)在兩支汊中的高紊動區(qū)的范圍與量值隨B*減小而差異增大.3個工況的平面紊動能分布在垂向的變化規(guī)律是相似的,高紊動區(qū)的強度和范圍均以中層為最大,表層次之,底層最小.

圖4 工況2和工況3的中層平面紊動能分布Fig.4 Turbu lent kinetic energy in m iddle plane for conditions 2 and 3

2.2 水流紊動能斷面分布特征

圖5 工況2斷面紊動能分布Fig.5 Turbu lent kinetic energy at cross-sections for condition 2

選擇工況2討論分汊河道的斷面紊動能分布特征,圖5為工況2的斷面紊動能等值線圖.進入分汊前的斷面B自水面向下紊動強度沿垂線逐步增加,在近壁處達到最大值,然后再逐漸減小,此分布特征與一般單一順直河道斷面相似[16].水流分流進入支汊后,流線彎曲,平面回流以及斷面環(huán)流充分發(fā)展,沿程各個斷面紊動強度分布特征將有所變化,呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律:支汊1中,在斷面L4中心線偏凹岸側出現(xiàn)高紊動區(qū),這是由于支汊凹岸的回流區(qū)與凸岸的高流速區(qū)之間巨大的流速梯度所致,與圖4(a)平面高紊動區(qū)出現(xiàn)位置一致.支汊2中斷面R4紊動強度分布規(guī)律與斷面L4相似,也在凹岸側形成一個紊動強度核心區(qū),由于支汊2寬度大于支汊1,為主汊河道,其高流速區(qū)量值與回流區(qū)尺寸均大于支汊1,因而斷面R4最大紊動強度大于斷面L4.斷面L4與R4高紊動區(qū)均為傾斜的長條橢圓形狀,由表至底沿深度方向呈現(xiàn)出由凸岸傾向凹岸分布的規(guī)律,這是由于支汊進口段回流區(qū)尺寸由表至底沿深度方向逐漸減小,直至消失.

水流在支汊中流過進口段進入彎道頂部區(qū)域后,回流區(qū)消失,原有過渡地帶流速坦化,梯度差異降低,并有向凸岸輸移趨勢,此時彎道頂點斷面L7與R7的高紊動區(qū)范圍變大,量值減小,與斷面L4與R4相比降幅達50%左右,并向凸岸偏移(圖5).隨著水流繼續(xù)前行,在支汊后半段斷面流速趨向均勻,流速梯度減小,斷面L9與R9的紊動強度分布已較為均勻,雖也有斷面高紊動區(qū),但是其量值與周邊相差不大.與斷面L7與R7相比,高紊動區(qū)量值下降略超50%.在交匯口附近兩股水流相遇,水流前鋒相互擠壓摩擦,島嶼尾尖后方區(qū)域紊動劇烈,形成一個高紊動區(qū),該區(qū)域?qū)挾燃s為15 cm,由區(qū)域中心向兩側紊動能等值線量值迅速下降,降幅達到50%,該范圍以外紊動能分布較為均勻.

2.3 流量對紊動特性的影響

當上游來流量增大時,紊動能的斷面分布特征基本相似,但是量值顯著提高.圖6為工況2與工況5的斷面L4,R4和C的垂向平均紊動能分布圖,由圖6可知斷面L4和R4的紊動能在橫向的分布特征基本相似,大、小流量工況下在凸岸紊動能相差不大,隨著向凹岸推移大流量工況紊動能增加顯著,約為小流量工況下紊動能的2～3倍.在交匯斷面C大流量工況下紊動能的橫向分布特征與小流量基本一致,但量值約為小流量工況的2倍左右,紊動最為劇烈的點仍為島嶼尾尖后方點.

圖6 不同流量下垂向平均紊動能分布Fig.6 Dep th-averaged turbulent kinetic energy under different upstream flow rates

2.4 支汊寬度比對紊動特性的影響

a.在交匯口附近兩汊水流相互沖擊,紊動強烈,在交匯斷面C會形成一個紊動強度較大的區(qū)域,該區(qū)域位置與汊道寬度密切相關,圖7為不同支汊寬度比下交匯斷面C的紊動能分布圖及垂向平均分布圖.由圖7可知,工況1～3交匯斷面的高紊動核心區(qū)基本位于各自中心島的尾尖后方區(qū)域,由于工況3的左右兩汊寬度相差較大,支汊1入?yún)R角度較大,水流切入支汊2較深,所以工況3的高紊動區(qū)位置略微偏向支汊2一側.此外,由于工況1～3的支汊2寬度不斷增加,逐漸變?yōu)橹縻?其斷面流速也呈遞增趨勢,相反支汊1流速不斷減小,因此斷面C高核心區(qū)以外范圍內(nèi)的紊動能呈現(xiàn)以下規(guī)律:當支汊寬度比B*由0.50變化到0.33時,斷面C中左側對應支汊1部分的紊動能隨B*減小而減小,而右側對應支汊2部分紊動能隨B*減小而增大(圖7(d)).

b.不同支汊寬度比對支汊進口段斷面也有一定影響.圖8為不同支汊寬度比下支汊2進口段斷面R4的紊動能分布圖及垂向平均分布圖.由圖8可知,不同支汊寬度比時,斷面R4的紊動強度分布規(guī)律相似,均在凹岸側存在紊動強度較大區(qū)域,但是由于支汊2寬度隨B*減小而增加,所以高紊動區(qū)離凸岸(中心島一側)的距離增大,且高紊動區(qū)范圍也有所擴大.

圖7 不同支汊寬度比下交匯斷面C的紊動能分布及垂向平均分布Fig.7 Turbulent kinetic energy at section C under different width ratios of tw o anabranches

圖8 不同支汊寬度比下斷面R4的紊動能分布及垂向平均分布Fig.8 Turbulent kinetic energy at section R4 under different width ratios of tw o anabranches

3 結 論

a.對于分汊河道,高紊動區(qū)在平面上處于支汊進口段的回流區(qū)與高流速區(qū)之間的過渡地帶.不同支汊寬度比工況下,平面紊動能分布在垂向的變化規(guī)律相似,高紊動區(qū)的范圍與量值由表至底均呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律,高紊動區(qū)位置沿垂向也均有向凹岸偏移的趨勢,垂向3層之中,表層與中層的分布特征較為接近,底層的差異最大.隨著支汊由對稱變?yōu)椴粚ΨQ分布,支汊2寬度逐漸增大,其高紊動區(qū)的范圍與量值也相應變大,相反,支汊1的高紊動區(qū)量值與范圍則在逐步縮小,兩支汊的差距進一步加大.

b.橫斷面紊動強度在分汊前、中、后各有不同,進入分汊前的斷面B紊動強度由表至底逐漸增大,在近底處達到最大;支汊進口段斷面凹岸側紊動強度大,并且由表至底呈現(xiàn)為由凸岸傾向凹岸,與回流區(qū)尺寸沿深減小的變化規(guī)律相符;由彎道頂部至出口段斷面,紊動能分布逐漸趨向均勻;交匯斷面C對應島嶼尾尖區(qū)域紊動劇烈,其余兩側區(qū)域紊動能相對比較均勻.

c.上游來流量的增加對斷面紊動能分布規(guī)律影響較小,紊動能等值線形狀相似,只是斷面紊動能量值顯著增加.

d.匯合后斷面高紊動區(qū)位置隨支汊寬度比B*減小而左移,其位置基本位于各個工況下島嶼尾尖后方區(qū)域;在不同支汊寬度比下,支汊進口斷面R4的紊動能分布規(guī)律基本相似,只是其高紊動區(qū)離凸岸距離隨支汊寬度增加而增大.

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