王小明,程永舟,常留紅,徐 斌

(1.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,湖南 長沙 410114; 2.長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430011；3.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)

梯形透水潛壩三維水流特性的數(shù)值模擬

王小明1,2,程永舟1,3,常留紅1,3,徐 斌1

(1.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,湖南 長沙 410114; 2.長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430011；3.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)

基于OpenFOAM開源程序包,對4種透空率(0.1、0.2、0.3和0.4)潛壩的三維流場進行數(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。結(jié)果表明:相同流量條件下,隨著透空率增大,壩后回流減弱,上升流高度降低,緩流區(qū)范圍減小,渦量減小,壩體腔內(nèi)及壩后透水圓孔附近紊動能增大;相同透空率條件下,隨著流量增大,壩后緩流區(qū)范圍增大,回流逐漸減弱,摻混紊動作用加劇,渦量及紊動能的大小和影響范圍也逐漸增大。

透水潛壩;透空率;流場;渦量;紊動能;三維水流特性

潛壩附近的流場、渦量、紊動能等三維水流特性[1]是潛壩結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化的關(guān)鍵因素之一。國內(nèi)外學(xué)者對丁壩周圍水流特性做了大量應(yīng)用研究[2-5],發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)丁壩在發(fā)揮整治效果的同時,改變了局部流場和沖淤條件,影響了河段的生態(tài)環(huán)境。而且這些影響較為復(fù)雜,時間跨度很長。隨著人們對生態(tài)環(huán)境保護認識的不斷深入,近年來各種透水丁壩結(jié)構(gòu)成為工程界和學(xué)術(shù)界的研究熱點。周根娣等[6]和李若華等[7]分別研究了四面六邊透水框架和框架群附近的水流特性。根據(jù)結(jié)構(gòu)透水性的特點,丁晶晶等[8]將丁壩的實體壩頭改成由四面體透水框架鉸接而成的透水壩頭,認為最優(yōu)透空率的透水壩頭可有效分散集中繞流,減弱壩頭脫離渦,阻滯下潛流,使用透水壩頭控制局部沖刷的效果最好。Uijttewaal等[9]提出了下部為常規(guī)丁壩,上部為透水樁壩的組合式丁壩,通過研究認為下游大漩渦是形成主次流摻混的主要原因。周銀軍等[10]提出了樁柱式透水丁壩,并在研究其局部水頭損失系數(shù)與阻水流量的關(guān)系式基礎(chǔ)上,得到了單個樁柱透水丁壩在非淹沒狀態(tài)下局部水頭損失系數(shù)的經(jīng)驗公式。孫東坡等[11]研究了新型管樁潛壩的導(dǎo)流及沖刷規(guī)律,并結(jié)合量綱擬合得到局部沖刷計算方法。嵇歐洋[12]利用物理模型試驗圍繞管樁透水順壩的消浪性能、波壓力及護底防沖刷效果進行研究,發(fā)現(xiàn)該透水結(jié)構(gòu)消浪效果顯著,結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯。

綜上所述,在有關(guān)透水壩體的研究中,鮮有定量考慮透空率和水流條件對壩體附近三維水流特性影響規(guī)律的內(nèi)容。本文基于OpenFOAM中不可壓縮氣液兩相流求解器interFoam[13]建立三維數(shù)值水槽,模擬4種透空率潛壩在不同流量條件下周圍的三維流場。然后根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果,分析透空率和水流條件的變化對潛壩周圍三維水流特性的影響規(guī)律,以期為透水潛壩的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模型

1.1 控制方程

不可壓縮氣液兩相流的連續(xù)性和動量方程分別為

(1)

(2)

式中:u為笛卡爾坐標(biāo)系下流速;ρ為密度;p*為動水壓強;g為重力加速度;μ為流體的動力黏度;τ為雷諾應(yīng)力;μt為湍流黏度;S為應(yīng)變速率;k為紊動能;I為Kronecke張量。

1.2 數(shù)值模擬方法

不可壓縮氣液兩相流求解器interFoam采用的控制方程為式(1)(2)。數(shù)值流場中N-S方程通過有限體積法(FVM)進行離散,方程求解采用PIMPLE算法實現(xiàn)流體速度解耦,拉普拉斯項離散采用修正后Gauss線性離散格式,時間離散采用Euler格式。而對空間進行的離散采用有限體積法。計算區(qū)域被分解成各個控制體,即離散的體積元。偏微分方程的通量形式在不同體積元之間相互聯(lián)系。通常情況下流出體積元的通量等于流入的通量,所以有限體積法一般是守恒的。此過程涉及的量值(流速等)是計算在體積元質(zhì)心的。相鄰質(zhì)心之間數(shù)值通過差值來確定。interFoam求解器采用流體體積法(VOF)對兩相流自由界面進行捕捉,并以VOF輸運方程中的體積分數(shù)α對兩相流自由界面進行定義，其值大小代表液體在計算網(wǎng)格中所占體積比例[14],α=1表示液體,α=0表示氣體,α介于0和1之間表示該網(wǎng)格為氣液交界面。VOF方程為

(3)

式中：ur為相對速度；最后一項·[urα(1-α)]屬于人工壓縮項。

1.3 數(shù)學(xué)模型參數(shù)及網(wǎng)格劃分

表1 數(shù)值水槽及潛壩模型參數(shù)

圖1 數(shù)值模型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格(單位:m)

數(shù)值水槽計算模型整體采用分區(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為1 cm的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分。對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的透水潛壩采用網(wǎng)格劃分工具進行劃分,對結(jié)構(gòu)本身采用邊長為5 mm的加密結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格填充。壩體邊緣及與外層網(wǎng)格的銜接部分采用非結(jié)構(gòu)化的三角棱柱網(wǎng)格。同時透水潛壩表面設(shè)置邊界層網(wǎng)格,以保證其附近流場求解的精確性。透水潛壩表面至水槽其他區(qū)域網(wǎng)格密度漸進變化,以保證數(shù)值計算的穩(wěn)定性。數(shù)值水槽上邊界恒量來流、下邊界恒壓出流,并按壩前附近的斷面流速為控制條件。水槽邊壁和透水潛壩表面為固壁無滑移邊界。

圖2 驗證試驗布置圖

圖3 水槽中軸線上各點垂向流速(Q=0.074 m3/s)

圖4 水槽中軸線上各點垂向流速(Q=0.12 m3/s)

2 模型驗證

驗證試驗在長沙理工大學(xué)水利實驗中心水槽中進行。水槽長45 m、寬0.8 m、高1 m,試驗水深0.6～0.85 m,如圖2所示。試驗的流量變化用計算機控制,同時水槽尾部設(shè)置調(diào)節(jié)水位的格柵尾門。流速測量采用Sontek公司研制的超聲多普勒流速儀,在試驗前對儀器進行標(biāo)定。驗證試驗選取長0.8 m、高0.2 m、透空率為0.2的潛壩在Q=0.074 m3/s、0.12 m3/s兩種流量工況條件下進行。

分析2種工況條件下壩前0.2 m、壩上和壩后0.4 m這3個位置的垂線流速u分布,發(fā)現(xiàn)數(shù)值計算結(jié)果與實測垂線流速吻合較好,兩者間最大誤差小于5%(圖3和圖4)，表明該三維數(shù)值模型可以較好地模擬透水潛壩周圍三維流場。

3 結(jié)果與分析

3.1 透空率對透水潛壩周圍水動力特性的影響

圖5 不同透空率透水潛壩周圍流速場(Q=0.074 m3/s)

流量為0.074 m3/s時不同透空率的三維水流特性如圖5所示。由圖5可知壩頂上部流速均有明顯增大,最大流速約為上游平均流速的1.5倍;壩后水域急流主要集中在上部流區(qū)。壩體腔內(nèi)及壩后約0.7 m(3.5H(壩高))范圍內(nèi),水流均較為平緩,同時在該水域范圍內(nèi)渦旋回流現(xiàn)象顯著,強度隨透空率的增大而減小。壩前水流受頂托上升匯聚導(dǎo)致壩上水流流速增大,形成上部急流區(qū)。上部急流區(qū)、壩后上升流及底部回流等共同作用形成了壩后渦旋回流現(xiàn)象。但隨著透空率增大,單位時間內(nèi)透過壩體的流量增大,壩后底部回流受到抑制,上升流強度降低,高度減小,渦旋下移變?nèi)?。壩前水流較為平順,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?？梢钥闯鐾涣髁織l件下,透空率變化對壩后水域流速影響范圍影響不大。對比發(fā)現(xiàn),壩后水域回流流速隨著透空率增大而逐漸減小,回流區(qū)域位置順?biāo)鞣较蛳乱?。?dāng)透空率為0.4時,渦旋回流基本消失,形成范圍更大的摻混紊流區(qū)。這是因為透空率增大后,潛壩透水能力增強,壩后底部順流流速增大。壩后底部和上部水域流速差逐漸變小,渦量減弱,回流渦旋消失,回流流速隨之減小。

由圖6和圖7可知,隨著透空率增大,壩前水域渦量強度逐漸減弱。壩后3.5H范圍內(nèi)渦量正負間隔分布,強度逐漸減小。而紊動強度較大的區(qū)域主要是壩體前后透水圓孔附近。同時由于壩頂上游側(cè)端部對水流的頂托作用,形成一個高紊動強度集中區(qū)。由圖5可知:高紊動強度條帶剛好處于急流區(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,紊動作用較強。另外發(fā)現(xiàn)在壩后0.6～0.8 m(2.5H～3.5H)范圍內(nèi)底部渦量和紊動能分布強度較大,但隨著透空率增大,兩者強度卻逐漸減小。這是因為壩體本身的透水能力增大后,該區(qū)域水體紊動受順?biāo)鞣较虻牧魉儆绊懽饔迷鰪?紊動減弱。

圖6 不同透空率透水潛壩周圍渦量(Q=0.074 m3/s,單位：s-1)

圖7 不同透空率透水潛壩周圍紊動能(Q=0.074 m3/s,單位:J)

3.2 流量對透水潛壩周圍水動力特性的影響

由圖8可知壩后緩流區(qū)范圍隨流量增大而增大,而壩后上升流高度隨流量增大而逐漸降低。這是因為隨著流量增大,流速增大,壩體遮擋作用凸顯,壩后緩流區(qū)范圍后移拉長。上升流遇到上部急流后形成摻混紊動作用,能量迅速耗散,上升流作用減弱,高度降低。另外隨著流量增大,壩后渦旋回流區(qū)逐漸下移,減弱。這是由于流量增大后,壩體結(jié)構(gòu)整體透水能力變大,底部水流流速增大。底部水流與壩后渦旋回流形成摻混紊動作用,能量迅速耗散,渦旋回流作用逐漸后移減弱。另外在來水流量增大過程中,壩后近底部流速及腔內(nèi)流速均比較平緩,都在0.2 m/s以下。這是由于翻壩水流、過壩水流、下潛流及壩后回流共同作用下,水體紊動強烈,能量耗散迅速,流速平緩。

圖8 不同流量時透水潛壩周圍流速場對比(N=0.2)

由圖9可知,隨著流量增大,渦量增大,影響范圍增大。同時發(fā)現(xiàn)正負渦量間隔分布,這是造成渦旋形成的主要動力因素?？傮w來講渦量強度較大位置主要是透水潛壩前后透水孔附近及沿潛壩頂端偏上游側(cè)到壩后下游水流一定范圍內(nèi)。同時可以看到壩后渦量強度最大位置的分布和渦旋一致。

圖9 不同流量時透水潛壩周圍渦量對比(N=0.2,單位：s-1)

由圖10可知,壩體腔內(nèi)及壩后一定水域的紊動能隨流量增大而增大,影響范圍也逐漸增大。但值得注意的是紊動強度較大的區(qū)域主要分布在壩后水流平緩區(qū)域的邊緣和壩體透水孔及其下游附近。水流平緩邊緣區(qū)及壩后一定水域的紊動強度較大也造成壩后水域劇烈能量耗散,水流流速減小。透水孔附近水流紊動隨流量增大而逐漸增強,而壩后底部強紊動區(qū)位置隨流量增大逐漸后移,強度也逐漸增大。壩體腔內(nèi)及壩后2H范圍內(nèi)底部水流紊動都較弱。

圖10 不同流量時透水潛壩周圍紊動能對比(N=0.2,單位:J)

4 結(jié) 論

a. 相同流量條件下,隨著透水潛壩透空率增大,壩后回流減弱,上升流高度降低,緩流區(qū)范圍逐漸減小,渦量逐漸減小,壩體腔內(nèi)及壩后透水圓孔附近紊動能的大小增大。

b. 相同透空率條件下,隨著流量增大,梯形透水潛壩后緩流區(qū)范圍增大,回流流速逐漸減小,摻混紊動作用更加劇烈。渦量及紊動能增大,影響范圍也增大。

c. 梯形透水潛壩周圍流場三維水流特性顯著:壩頂上部水域流速較大,而壩體腔內(nèi)及壩后3.5H壩高范圍內(nèi)在3種流量條件下水流均較平緩。當(dāng)透空率為0.2時,防護圍擋效果更加顯著。

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Numericalsimulationofthree-dimensionalflowcharacteristicsoftrapezoidalpermeablesubmergeddam

WANG Xiaoming1，2, CHENG Yongzhou1, 3, CHANG Liuhong1, 3, Xu Bin1

(1.SchoolofHydraulicEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410114,China; 2.ChangjiangWaterwayInstituteofPlanning,Design,andResearch,Wuhan430001,China; 3.HunanProvinceKeyLaboratoryofWater,SedimentSciencesandFloodHazardPrevention,Changsha410114,China)

Three-dimensional flow fields of submerged dams with four permeable rates (0.1, 0.2, 0.3, and 0.4) were numerically simulated based on the OpenFOAM open source package, and the influence of the permeable rate and discharge on the three-dimensional flow characteristics around permeable submerged dams was examined. The results show that, under constant discharge conditions, with the increase of the permeable rate, the reflux behind the dam is weakened; the upwelling height, the range of the slow-flow area, and the vorticity decrease; and the turbulent kinetic energy in the dam and near the permeable circular hole behind the dam increases. Under constant permeable rate conditions, with the increase of the discharge, the range of the slow-flow area behind the dam increases, the reflux is gradually weakened, the mixing is aggravated, and the vorticity and turbulent kinetic energy as well as their influence ranges increase.

permeable submerged dam; permeable rate; flow field; vorticity; turbulent kinetic energy; three-dimensional flow characteristics

國家自然科學(xué)基金(51679015);國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0402108);湖南省自然科學(xué)基金(2015JJ2006)

王小明(1989—),男,碩士研究生,主要從事波浪、水流及其與建筑物相互作用研究。E-mail:1203248419@qq.com

程永舟(1974—),男,教授,博士,主要從事港口航道與海岸工程研究。E-mail:chengyongzhou@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.05.009

TV865

：A

：1006-7647(2017)05-0051-06

2016-10-10 編輯：劉曉艷)