葉瑞祿，張耀哲

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

1 研究背景

渠系節(jié)點(diǎn)是一種常見的水流連接方式，存在于許多水力系統(tǒng)中，常用于發(fā)電、灌溉、工業(yè)及生活用水等取水工程[1]。節(jié)點(diǎn)處的水流除了受重力作用下的主流影響外，還受副流的制約，節(jié)點(diǎn)附近的水流與主流區(qū)的水流不斷進(jìn)行著質(zhì)量、動(dòng)量及能量的交換，還存在著上下層水流和泥沙之間的強(qiáng)烈混摻[2],表現(xiàn)出明顯且復(fù)雜的三維水力特性。節(jié)點(diǎn)處水域的環(huán)流結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)度直接影響著河道或水槽的泥沙沖刷和淤積程度，這一現(xiàn)象對渠道泥沙淤積及物質(zhì)輸移、渠道邊壁沖刷等產(chǎn)生重要影響[3]。渠系節(jié)點(diǎn)三維流場特性的研究不僅具有理論意義,而且對于水利工程泥沙問題的研究具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。近年來，針對不同連接方式節(jié)點(diǎn)處水流運(yùn)動(dòng)，國內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作。楊帆[1]通過對順直明渠岸邊側(cè)向45°取水口水域的取水分流寬度、分槽回流特性及口門斷面紊動(dòng)特性的分析，得出45°取水口附近的水流更加平順，口門處流速分布更加均勻，分槽內(nèi)凈進(jìn)流寬度更大。茅育澤[2]采用試驗(yàn)手段研究了明渠交匯口三維流動(dòng)特性，指出斷面環(huán)流是交匯口水流三維流動(dòng)的一個(gè)重要特征。曹繼文[4,5]針對明渠岸邊橫向直角取水口的水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出取水口附近的水流結(jié)構(gòu)具有明顯的三維特性，并采用雷諾平均的N-S方向，利用FLUENT三維數(shù)值雷諾應(yīng)力模型(RSM)，對明渠岸邊橫向取水口流場特性進(jìn)行了詳細(xì)的模擬分析。以上研究側(cè)重于取水分流寬度、斷面收縮比、口門處流速分布及能量損失。但對于渠系節(jié)點(diǎn)處三維流場的針對性研究還很缺乏。

本文針對口門連接處及上下游表層及底層測點(diǎn)進(jìn)行三維流場的定量觀測，詳細(xì)論述相關(guān)平面立軸環(huán)流、橫向環(huán)流以及各種次生副流。由于節(jié)點(diǎn)處水流運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)生明顯的流動(dòng)分離現(xiàn)象，本文采用水流循環(huán)的方式，以泵站正常引水運(yùn)行為前提，利用vectrino plus小威龍三維流速儀進(jìn)行流場觀測，各測點(diǎn)同時(shí)采集X、Y、Z三個(gè)方向500個(gè)瞬時(shí)流速值，反饋給計(jì)算機(jī)處理得到每個(gè)測點(diǎn)的時(shí)均流速。研究分析在不同來流情況下,明渠口門及明渠段水流流場的分布規(guī)律。

2 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)裝置如圖1所示，整個(gè)試驗(yàn)設(shè)備包括供水量水系統(tǒng)、試驗(yàn)觀測段、回水系統(tǒng)、地下水庫四大部分。引水明渠以72°的夾角與主河道相交，主河道寬度為130 cm。明渠段布置在主河道左岸，明渠渠首與主河道以小喇叭口形式銜接。明渠斷面為矩形，高20 cm，寬25 cm。來流量和分流量分別采用矩形堰和三角堰量測。主河道水位用下游尾門控制，明渠段則用堰流控制。

圖1 渠系節(jié)點(diǎn)水流試驗(yàn)裝置平面總體布置圖Fig.1 General layout of flow test device of canal system node

流場試驗(yàn)觀測主要針對口門區(qū)及明渠段進(jìn)行，同時(shí)也對主河道上下游防護(hù)范圍內(nèi)的流速分布進(jìn)行了觀測。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康墓策M(jìn)行了8個(gè)工況的試驗(yàn)，具體工況參數(shù)如表1。

表1 水流流場觀測試驗(yàn)工況參數(shù)Tab.1 Test condition parameters of water flow field

注:表層為垂直水深方向距水面5 cm處水平面，底層為垂直水深方向距渠底5 cm處水平面。

測點(diǎn)布置如圖2所示，主河道和明渠段都是每隔25 cm布設(shè)一個(gè)觀測斷面。觀測區(qū)域分明渠段和主河道兩大部分，主河道部分CS7+000～CS8+000為摻混區(qū)，觀測密度較大，CS7+000以上及CS8+000以下為主河道區(qū)觀測密度較小。試驗(yàn)流場觀測全部采用vectrino plus小威龍三維流速儀，該流速儀是流速儀ADV的更新替代品，是一款高精度三維點(diǎn)式流速儀，采用聲學(xué)多普勒測量原理，測量數(shù)據(jù)精度高，且儀器自身不產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，應(yīng)用范圍廣泛，包括實(shí)驗(yàn)室測量，河道測量以及海洋測繪。根據(jù)三維流速儀的測量特征，定義水流流向坐標(biāo)如圖2所示，設(shè)定Y方向及縱向流速Vy的正值方向?yàn)楹拥兰扒郎嫌?，X方向及橫向流速Vx的正值方向?yàn)楹拥兰扒雷蟀叮琙方向及垂向流速Vz的正值方向?yàn)榇怪庇谒嫦蛏?。對于主河道摻混區(qū)觀測區(qū)域，Vy為負(fù)表示流速方向?yàn)檠睾拥揽v向的主流動(dòng)，Vx為負(fù)表示流速方向垂直河岸向河心方向的流動(dòng)，Vz為負(fù)表示流速方向垂直水面向河底的流動(dòng)；對于明渠段觀測區(qū)域，各測點(diǎn)Vy為負(fù)表示的流速方向?yàn)檠厍揽v向水流前進(jìn)方向的主流動(dòng)，Vx為負(fù)表示面向明渠前進(jìn)方向時(shí)從渠道左岸向渠道右岸的流動(dòng)，Vz為負(fù)表示流速方向垂直水面向渠底的流動(dòng)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 渠系節(jié)點(diǎn)處流速分析

分別在不同工況下測量口門斷面1(距主河道左岸15 cm處摻混區(qū)CS7+000～CS8+000截面)及口門斷面2(明渠段0+000截面)的瞬時(shí)流速，反饋給計(jì)算機(jī)處理后得到各測點(diǎn)時(shí)均流速分布，因篇幅所限，圖3僅給出工況1及工況3時(shí)口門中間斷面的時(shí)均流速分布。

根據(jù)對各斷面時(shí)均流速測量，節(jié)點(diǎn)處流速分布有以下特點(diǎn)：①在渠系節(jié)點(diǎn)上游處橫向流速Vx和垂向流速Vz較小，當(dāng)水體逐漸靠近節(jié)點(diǎn)時(shí)，主河道中的底層橫向流速大于表層橫向流 速；②節(jié)點(diǎn)對岸處縱向流速Vy沿程變化較小，節(jié)點(diǎn)處變化較大；③當(dāng)水流因?yàn)榉至髯饔眠M(jìn)入明渠段后，在明渠段左岸側(cè)產(chǎn)生流向不確定的復(fù)雜流動(dòng)；④明渠段左側(cè)水域表現(xiàn)為底層流速與表層流速方向相反且交替出現(xiàn)，說明在明渠段左側(cè)同時(shí)存在橫向環(huán)流與立軸環(huán)流。

圖2 測點(diǎn)平面布置及測流區(qū)域劃分示意圖(單位：cm)Fig 2 Schematic diagram of partition of observation on flow field

圖3 口門中間斷面時(shí)均流速分布Fig 3 Time-average velocity distribution at the middle section of the entrance

本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)研究對象為渠系節(jié)點(diǎn)附近區(qū)域，所以只采用摻混區(qū)CS7+000～CS8+000部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于試驗(yàn)只進(jìn)行了表層和底層的流速測量，且縱向流速Vy呈現(xiàn)較為明顯的變化規(guī)律，故繪制試驗(yàn)部分表、底層縱向時(shí)均流速的等值線圖。等值線圖的橫向從左至右為7+000截面到8+000截面，縱向?yàn)橹骱拥篮訉挿较?，由于邊界部分無法測量，故流速從主河道左右兩岸邊距5 cm起。將縱向時(shí)均流速等值線圖繪制如圖4所示。

分析縱向時(shí)均流速Vy的等值線圖可以看出：同一工況下，表層與底層的流速分布存在差異。節(jié)點(diǎn)處水域靠近主河道右岸速度呈穩(wěn)速趨勢，該區(qū)水體擴(kuò)散程度較小。在取水口的上游，靠近明渠段左岸水體呈減速趨勢，這與曹繼文[4,5]對此區(qū)域

圖4 各工況縱向時(shí)均流速等值線圖分布情況Fig 4 Isoline of longitudinal time-average velocity distribution of each working condition

試驗(yàn)呈加速趨勢相反，這是因?yàn)榇嗽囼?yàn)明渠段流量小，明渠段特征流速大于主河道特征流速，這與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中分流特征流速小于主流特征流速不同。在取水口下游近左岸區(qū)域，水體減速滯流，當(dāng)明渠段流量增加時(shí)，口門附近水體流速分布越不均勻，滯留區(qū)越明顯，滯留區(qū)產(chǎn)生負(fù)壓但范圍較小。滯留后的水流在主河道邊界形成明顯的減速壅水，產(chǎn)生橫向水面比降，促使斷面逆向環(huán)流的形成，在行進(jìn)水流的共同作用下表現(xiàn)為螺旋流。對比此次試驗(yàn)結(jié)果并參考前人[5]的相關(guān)結(jié)論，繪制渠系節(jié)點(diǎn)口門近區(qū)平面流場概化示意圖如圖5所示。

圖5 渠系節(jié)點(diǎn)口門近區(qū)平面流場概化示意圖Fig 5 Schematic diagram of plane flow field of canal system node near the entrance

3.2 口門區(qū)的流動(dòng)分離現(xiàn)象

試驗(yàn)表明，主河道水流經(jīng)過口門區(qū)時(shí)，出現(xiàn)明顯的流動(dòng)分離現(xiàn)象。對于確定的節(jié)點(diǎn)形狀及尺寸，主河道(主流)與明渠段(分流)間存在著分流面，分流面的基本形狀保持不變且與流量比存在相關(guān)關(guān)系[1]。在遠(yuǎn)離渠系節(jié)點(diǎn)的主河道區(qū)域，水流流場的分布符合常規(guī)明渠流動(dòng)的規(guī)律,上層流速大于下層流速，越靠近邊壁流速越小。根據(jù)對表層和底層水體的流速測量，受明渠段取水的影響，流線在渠系節(jié)點(diǎn)一定距離處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，部分水流流入明渠段，即存在分水寬度。分水寬度指主槽內(nèi)取水口上游流入分槽的水流寬度[1]，根據(jù)前人[1]對明渠分水寬度的研究，當(dāng)上游來流逐漸接近節(jié)點(diǎn)處水域時(shí)，由于明渠段的分流作用，流向明渠段的水流與連續(xù)流向下游的水流間形成分流曲面。分析認(rèn)為，流動(dòng)分離現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于斷面突然擴(kuò)大，過流面積突然增加，根據(jù)伯努利方程可知此時(shí)沿流動(dòng)方向的壓力迅速增大出現(xiàn)逆壓梯度，逆壓梯度的出現(xiàn)使外側(cè)流動(dòng)受到阻滯，流體質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)烈滯后，當(dāng)流體質(zhì)點(diǎn)所有的動(dòng)能都消耗完以后就會(huì)被迫折回，這樣外側(cè)流動(dòng)由于能量較大可以繼續(xù)向前流動(dòng)，而靠近岸邊一側(cè)的流體卻因此發(fā)生停滯和倒流。如此往復(fù)，新來的流體質(zhì)點(diǎn)沿邊界不斷遭遇同樣的情況，愈來愈多被阻滯的流體質(zhì)點(diǎn)在邊界和河道主流之間堆積，回流便迅速向外擴(kuò)展，使得河道主流愈來愈遠(yuǎn)的被推離邊界區(qū)，發(fā)生流動(dòng)分離現(xiàn)象。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，節(jié)點(diǎn)處水域水流結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出復(fù)雜明顯的三維特性。一方面口門取水方向流速沿水深分布與常規(guī)明渠流速垂向呈對數(shù)、指數(shù)分布存在差異，進(jìn)水紊動(dòng)強(qiáng)度呈不均勻性。另一方面，試驗(yàn)結(jié)果顯示在同一工況下口門附近水域表層水體沿橫向及縱向速度分量小于底層水體，這與常規(guī)的流速沿水深的分布規(guī)律有所不同；進(jìn)入口門之后，明渠段表層水體與底層水體流速方向相反，底層水體橫向分速指向左岸，表層水體橫向分速指向右岸，表明在明渠段中存在順時(shí)針的螺旋流。螺旋流是指呈螺旋形向前運(yùn)動(dòng)的副流，是一種復(fù)雜的三元水流[2]，渠道的左岸方向流速Vx(橫向分速)引起水流質(zhì)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)，橫向分速越大，旋轉(zhuǎn)力度越強(qiáng)；沿水流前進(jìn)方向流速Vy(縱向分速)將促使水流呈螺旋形向前流動(dòng)。螺旋流產(chǎn)生的水體在口門發(fā)生分離后，沿下游進(jìn)入明渠段。由于分流面處水位高于彎曲內(nèi)側(cè)，從而產(chǎn)成徑向比降，形成斷面環(huán)流。在水體橫向環(huán)流與行進(jìn)水流的共同作用下，以螺旋流的方式進(jìn)入明渠段。底層水體流速延程減小，逐漸恢復(fù)為常規(guī)的明渠流動(dòng)。口門下游水體出現(xiàn)滯留現(xiàn)象，滯留區(qū)下游靠左岸水體產(chǎn)生逆時(shí)針的螺旋流。正是由于口門區(qū)水體流動(dòng)的特殊現(xiàn)象，致使推移質(zhì)泥沙進(jìn)入明渠段造成淤積。

口門近區(qū)水域按流動(dòng)特性劃分為分流區(qū)、回流區(qū)、螺旋流區(qū)。通過對渠系節(jié)點(diǎn)三維流場的試驗(yàn)研究并結(jié)合前人[5]有關(guān)結(jié)論，得到渠系節(jié)三維流動(dòng)特性的示意性描述如圖6所示。

圖6 渠系節(jié)點(diǎn)三維流動(dòng)特性示意圖Fig 6 Schematic diagram of three - dimensional flow characteristics of canal system node

3.3 渠系節(jié)點(diǎn)處橫向摻混和次生副流現(xiàn)象

分流動(dòng)分離現(xiàn)象形成后，由于主副流交界面存在較大的流速梯度，大小尺度的渦體產(chǎn)生強(qiáng)烈的橫向摻混，在摻混區(qū)主副流將發(fā)生動(dòng)量和水體交換。水體交換在時(shí)均意義上是等量的，而動(dòng)量交換則由主流通過紊動(dòng)切應(yīng)力的形式，不斷作用于副流，交界面上渦體橫向摻混產(chǎn)生的紊動(dòng)切應(yīng)力作為動(dòng)力源，縱向流速Vy方向的流速基本上以渠道中軸線為界呈反向變化,使得口門區(qū)及明渠前段出現(xiàn)明顯的平面回流。在明渠段流量一定時(shí)，當(dāng)主河道流量增加時(shí)，口門區(qū)個(gè)測點(diǎn)的速度明顯增加，表層流速大于底層流速，導(dǎo)致明渠段表層回流區(qū)大于底層回流區(qū)。分流曲面呈二次曲線分布，底層分流寬度大于表層。在含有渠系節(jié)點(diǎn)的工程中，由于引水角對底層分流寬度影響不大，但表底分流寬度不同，大量推移質(zhì)泥沙隨底流進(jìn)入分流，造成不同程度的淤積，從而不利于取水防沙。

水流運(yùn)動(dòng)由主流和次生副流構(gòu)成。根據(jù)上述8種工況口門區(qū)及明渠段三維流速分布的量化統(tǒng)計(jì)分析，可以得出回流區(qū)的水流運(yùn)動(dòng)不僅存在著平面上的立軸環(huán)流(盲腸回流)，還存在著橫斷面上的橫向環(huán)流以及沿渠道縱深前進(jìn)方向Vy流動(dòng)的疊加，以及上、下層水體之間的劇烈混摻。回流區(qū)的水流與主流區(qū)的水流不斷進(jìn)行著動(dòng)量和能量的相互交換，與常規(guī)明渠流動(dòng)存在差異。

口門區(qū)處于主河道與明渠段的銜接區(qū)域, 是取水分流最敏感的部位，流動(dòng)分離現(xiàn)象形成后，該區(qū)域水流摻混強(qiáng)烈，3個(gè)維度方向均能觀測到明顯的流速，但量值均小于主河道流速，3個(gè)維度的流向呈現(xiàn)規(guī)律性的交替變化，Vy方向平面上的環(huán)流相對明顯，Vx橫向及Vz橫向的流向變化也呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，三維流速綜合作用后流線軌跡復(fù)雜。根據(jù)各工況流場觀測結(jié)果，相同水位不同特征流速以及不同水位不同特征流速時(shí)，主河道流速對口門區(qū)及明渠段水流運(yùn)動(dòng)的影響有顯著地規(guī)律性，具體表現(xiàn)在相同水位不同特征流速時(shí)，主河道流速越大，水流的橫向摻混強(qiáng)度越大，相應(yīng)的口門區(qū)次生附流的強(qiáng)度也越大，沿渠道縱向的流速分量值也越大。Vx及Vz方向所存在的時(shí)均流速及其規(guī)律性的流向變化，顯示該區(qū)域不但有較明顯的平面回流而且橫斷面上也存在明顯的橫向環(huán)流，除此之外，三維流速觀測值在流向和量值上的其他變化，還表明其他更小量級(jí)次生副流的存在。在口門區(qū)及明渠前端所有的次生副流中，平面回流強(qiáng)度最大，這種平面回流在上層水體更多地表現(xiàn)為盲腸回流的特征。

4 結(jié) 語

本試驗(yàn)利用vectrino plus小威龍三維流速儀對渠系節(jié)點(diǎn)的近區(qū)水域進(jìn)行了三維流速測量，從系統(tǒng)試驗(yàn)和理論分析兩個(gè)方面對渠系節(jié)點(diǎn)的三維特性進(jìn)行了研究，基于現(xiàn)階段的試驗(yàn)研究成果，得出了以下結(jié)論：

(1)渠系節(jié)點(diǎn)近區(qū)水域的水流流速分布具有明顯且復(fù)雜的三維特性，口門斷面尤為明顯?？陂T前及明渠段存在順時(shí)針螺旋流，而在口門下游主河道則存在逆時(shí)針的螺旋流，這是斷面環(huán)流與行進(jìn)水流共同作用的結(jié)果。

(2)相同水位不同特征流速時(shí)，主河道流速越大，水流的橫向摻混強(qiáng)度越大，相應(yīng)的口門區(qū)次生附流的強(qiáng)度也越大，沿渠道縱向的流速分量值也越大?；亓鲄^(qū)水域水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且通常伴隨著橫向環(huán)流、立軸環(huán)流和次生副流的疊加，基本上可概化為平面上的立軸環(huán)流(盲腸回流)與橫斷面上的橫向環(huán)流以及沿渠道縱深前進(jìn)方向水流運(yùn)動(dòng)的疊加。

本次試驗(yàn)流動(dòng)模式與常規(guī)直角引水明 渠口門前區(qū)域的主要區(qū)別在于，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中渠道特征流速大于等于主河道特征流速，明渠口門上游河道近岸區(qū)域?yàn)榧铀賲^(qū)，而本模型試驗(yàn)明渠流量小，渠道特征流速明顯小于主河道特征流速，因此明渠口門上游河道近岸區(qū)域?yàn)闇p速區(qū)。針對這一發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行不同工況條件下的水力計(jì)算，更完整準(zhǔn)確的總結(jié)渠系節(jié)點(diǎn)三維流場的水力特性，為工程的取水防沙提供依據(jù)。

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