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        角錐體位置對水流交匯區(qū)流場影響的試驗(yàn)研究

        2022-07-01 06:42:04王丹薇
        吉林水利 2022年4期
        關(guān)鍵詞:設(shè)置工程研究

        王丹薇

        (朝陽市閻王鼻子水庫工程建設(shè)管理局,遼寧 朝陽 122000)

        0 引言

        我國具有較為豐富的河流資源, 這些遍布全國各地的大小河流在給人們的生活提供便利的同時,也造成了洪澇災(zāi)害的高發(fā)和頻發(fā)。 因此,科學(xué)、有效的河道治理一直是水力學(xué)研究的重點(diǎn)問題。大多數(shù)天然河道均具有蜿蜒、 彎曲的平面分布形態(tài),在河流的彎道和交匯部位,水流將出現(xiàn)水面橫比降、二次環(huán)流等復(fù)雜的流動現(xiàn)象[1]。 同時,天然河流的流動都屬于紊流狀態(tài), 紊流本身是與流體的運(yùn)動密切相關(guān)的,在復(fù)雜的水流結(jié)構(gòu)條件下,紊流本身的各向異性將體現(xiàn)出來[2]。 其中,河流的交匯點(diǎn)作為水系連接的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),水流紊動摻混劇烈,且支流的匯入也會對河道主流產(chǎn)生擠壓作用,這不僅會在匯入口下游的支流測產(chǎn)生回流渦旋區(qū),還會在另一側(cè)產(chǎn)生流速較大區(qū), 對河床及堤岸產(chǎn)生比較嚴(yán)重的沖刷[3]。 因此,在交匯河道的設(shè)置一定的護(hù)岸工程,就顯得尤為必要。 在護(hù)岸工程建設(shè)領(lǐng)域,主要有超高法、丁壩以及調(diào)整池等。 上述方法各有優(yōu)劣,往往需要結(jié)合使用,優(yōu)勢互補(bǔ)[4]。

        為了進(jìn)一步豐富和優(yōu)化彎道和交匯部位水流流態(tài)改善的工程技術(shù)手段, 諸多學(xué)者提出了一系列創(chuàng)新性的工程技術(shù)手段。 其中,角錐體就是近年來水利工程界提出的改善彎道水流的重要工程技術(shù)手段,并取得了良好的工程應(yīng)用效果。 但是,目前關(guān)于將角錐體應(yīng)用于水流交匯區(qū)的研究和實(shí)踐幾乎沒有。 在此背景下,此次研究利用室內(nèi)試驗(yàn)的方式,探討角錐體對交匯區(qū)水流流態(tài)的改善作用。

        1 研究區(qū)域

        T 型河道交匯口在實(shí)際工程中經(jīng)常遇到,在這一交匯口處常要解決好以下幾個問題:沖刷問題、淤積問題、航行安全問題等,加上水位、水流流向等使這一問題更為復(fù)雜。 結(jié)合南水北調(diào)東線輔助工程泰州引江河配套項目——送水河與南官河交匯口模型試驗(yàn)研究來探討這一問題。 送水河位于泰州市境內(nèi),西端起于高港樞紐,東到合樂村與南官河交匯,交匯角為48°,全長1 860m,它具有引排雙向功能(見圖1)。在干旱年份,用水高峰期,將高港抽水站調(diào)尾,抽引江水100m3/s,經(jīng)過送水河入南官河,送水到通南高沙腹地,可提高通南地區(qū)灌溉標(biāo)準(zhǔn)。 此次研究以上述工程為背景,選擇交匯口上游200m,下游100m 為研究區(qū)域,利用模型試驗(yàn)的方式探討丁壩對交匯區(qū)流場的實(shí)際影響。

        2 研究方法

        通過在支流匯入岸的對岸側(cè)建立丁壩的方式, 一方面利用丁壩回流區(qū)內(nèi)流速較小可以對堤岸起到一定保護(hù)作用, 另一方面利用丁壩的挑流作用對水流交匯區(qū)的水流結(jié)構(gòu)加以改善, 具有一定的創(chuàng)新性, 同時還可以為工程實(shí)際提供一定的理論依據(jù)。

        2.1 方案設(shè)計

        此次研究在主流和支流的來流條件以及角錐體尺寸不變的情況下進(jìn)行, 主要通過改變角錐體的設(shè)置位置,研究其對交匯處水流流態(tài)的影響。

        基于上述思路, 確定角錐體和交匯斷面之間的距離L 作為確定角錐體位置的主要變量。 結(jié)合模型尺寸以及角錐體對彎道水流影響的相關(guān)研究成果,確定L 的4 個不同取值,分別為0cm、30cm、60cm 和90cm,同時將不設(shè)置角錐體的方案作為對比方案。 具體的試驗(yàn)工況設(shè)計如表1 所示。

        表1 試驗(yàn)工況設(shè)計表

        2.2 試驗(yàn)?zāi)P?/h3>

        此次研究以上述工程背景參考, 按照幾何比尺1:100 進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)P驮O(shè)計。試驗(yàn)?zāi)P椭饕伤h(huán)系統(tǒng)、 流量調(diào)控系統(tǒng)、 測量儀器和其他設(shè)備構(gòu)成。 其中,交匯水槽為概化模型,主槽和支槽的交匯角為90°,其中主槽長6m、寬0.6m,支槽長2m、寬0.2m,高度均為0.3m。 角錐體為三棱錐體結(jié)構(gòu),其四個面中有兩個面臨空,一個面與河岸貼合,其臨空面又包括與上游來流方向呈一定夾角的面,以及一個下游端面,結(jié)合試驗(yàn)水槽的尺寸,其長度設(shè)定為10cm,高度為5cm。水槽模型的平面布置示意圖如圖1 所示。

        圖1 水槽布置平面圖

        模型采用有機(jī)玻璃制作, 在主槽和支槽的入口部位分別設(shè)置一道欄柵, 防止污染物對水流的干擾[6]。 模型的采用循環(huán)式供水系統(tǒng),主要包括水箱和水泵兩大部件。 其中,水泵為額定流量30m3/h的潛水泵; 水箱為1.5m×0.8m×0.5m 的矩形水箱,其中設(shè)有隔板和流量調(diào)節(jié)板, 可以實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié),使水流能夠按照設(shè)定的流量平穩(wěn)進(jìn)入水槽。

        水流在運(yùn)動過程中主要受到重力和粘滯力的影響,鑒于水槽水流的雷諾數(shù)(一種可用來表征流體流動情況的無量綱數(shù)。 Re=ρvd/μ,其中v、ρ、μ 分別為流體的流速、 密度與黏性系數(shù),d 為特征長度。 )明顯大于臨界雷諾數(shù),因此重力對水流的影響明顯大于粘滯力的影響。 基于此,此次研究中遵循重力相似性原則建立試驗(yàn)水槽[5]。 一般來說,河道的底坡坡降并不大, 此次研究中的底坡選擇為0.000 5。

        2.3 測試方法

        由于三角形堰具有比矩形堰更高的測量精度,同時本次試驗(yàn)的流量相對較小,因此采用三角形薄壁堰進(jìn)行試驗(yàn)中的流量測定[7]。 其使用的流量公式如下:

        式中,Q 為流量,m3/s;H 為堰上水頭,m;θ 為三角堰的角度,°;g 為重力加速度,m/s2。

        試驗(yàn)過程中的水深和水面線利用鋼尺進(jìn)行測量,每個測點(diǎn)測量5 次,以5 次測量數(shù)據(jù)的均值作為該測點(diǎn)的水深數(shù)據(jù)的最終試驗(yàn)結(jié)果。 試驗(yàn)中設(shè)置3 個測量斷面,測量斷面與主槽水流方向平行,與交匯口另一側(cè)的距離分別為10cm、30cm 和50cm,分別觀測角錐體部位,水槽中線和匯入口同側(cè)回旋區(qū)的水流流態(tài)和參數(shù)。

        2.4 儀器與設(shè)備

        試驗(yàn)中的流速測量主要采用ADV 超聲流速儀,該儀器主要由測量探頭,信號調(diào)理和信號處理模塊構(gòu)成, 可以兼測二維和三維流速, 其測量范圍為0.001—4.5m/s。 在試驗(yàn)過程中,為了減小測量誤差,探頭需要保持和測繩垂直; 該儀器生成的數(shù)據(jù)文件為文本文件,便于后續(xù)利用Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[8]。

        3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        3.1 流速分布

        根據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn),在明渠交匯流中0.6 倍水深部位的流速和垂線平均流速基本相等。 因此,在試驗(yàn)中提取該部位與交匯口另一側(cè)的距離分別為10cm 處的流速試驗(yàn)數(shù)據(jù), 繪制出如圖2 所示的流速分布曲線。 由圖2 可以看出,在沒有設(shè)置角錐體的條件下, 支流的匯入會使異側(cè)流速值明顯增大,在50cm 部位達(dá)到最大值,為0.37m/s 左右,最后呈現(xiàn)出逐漸減小并趨于平穩(wěn)的變化態(tài)勢。在布置角錐體的各個方案下,流速的最大值明顯偏小,說明布置角錐體對控制流速具有明顯的作用。 同時,在布置角錐體之后, 水流交匯區(qū)的流速變化更為復(fù)雜,角錐體前后的流速明顯下降。從不同方案的對比來看, 工況3 的流速降幅最大, 其流速的最大值為0.22m/s。由此可見,從保護(hù)河床和堤岸的角度來看,工況3 的位置設(shè)置可以發(fā)揮出最佳的保護(hù)效果。

        圖2 典型斷面流速分布曲線

        3.2 分離區(qū)和壩后回流區(qū)特征

        支流匯入主流之后, 會在交匯口的下游產(chǎn)生分離區(qū),其內(nèi)部的紊動作用較為劇烈,流速相對較低。 在對岸設(shè)置角錐體之后,會在角錐體后形成回流區(qū),回流區(qū)內(nèi)的水流流速相對較小,可以起到一定的堤岸保護(hù)作用[9]。 因此,研究分離區(qū)和回流區(qū)的幾何特征,具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

        根據(jù)試驗(yàn)中測量的數(shù)據(jù), 總結(jié)出不同工況下分離區(qū)和回流區(qū)的幾何特征,結(jié)果如表2 所示。 由表2 可知,除了工況2 外,其余角錐體設(shè)置工況的分離區(qū)長度和寬度與沒有設(shè)置角錐體的工況1 相比均有明顯減小。 由此可見,設(shè)置角錐體可以有效減小分離區(qū)的長度和寬度。 由于分離區(qū)長度和寬度的減小,分離區(qū)的面積大為縮小,這對于改善交匯處的水流流態(tài)具有重要作用。 從不同設(shè)置位置方案的對比來看,工況3 的回流區(qū)面積最小,效果最佳。 從回流區(qū)的測量數(shù)據(jù)來看,也呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律,隨著角錐體與交匯斷面距離的增加,回流區(qū)的面積呈現(xiàn)出先增加后減小的變化特點(diǎn),工況3 的回流區(qū)范圍最大, 可以取得對河床和堤岸的最佳防護(hù)效果。

        表2 分離區(qū)和回流區(qū)幾何特征

        3.3 紊流耗散率

        紊流在空間上存在隨機(jī)漲落, 從而形成比較顯著的速度梯度, 并在分子粘滯力的作用下通過內(nèi)摩擦不斷將紊流動能轉(zhuǎn)化為分子運(yùn)動的動能,從而達(dá)到降低流速、改善流態(tài)的重要作用[10]。

        研究中基于試驗(yàn)數(shù)據(jù), 對不同試驗(yàn)方案下的紊流耗散率進(jìn)行計算, 從計算結(jié)果中提取其最大值和存在的部位,結(jié)果如表3 所示。 由表3 可以看出,在所有5 種計算工況下,紊流耗散率的最大值均出現(xiàn)為交匯口下游分離區(qū)的外側(cè), 說明該部位存在較強(qiáng)的水流穩(wěn)定作用。 由于匯入水流和主流在此部位的紊動作用比較強(qiáng)烈, 紊流耗散率也相對較大。 從不同試驗(yàn)工況的結(jié)果對比來看,設(shè)置角錐體的4 種方案的紊流耗散率明顯偏大, 說明設(shè)置角錐體具有顯著的工程價值。 同時,紊流耗散率最大的是方案3,說明該方案為最優(yōu)方案。

        表3 紊流耗散率計算結(jié)果

        4 結(jié)語

        此次研究通過室內(nèi)模型試驗(yàn)的方法, 探討了在交匯水流條件下角錐體的設(shè)置部位對交匯區(qū)流場的具體影響。 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,設(shè)置角錐體可以起到良好的交匯區(qū)流場改善作用, 說明其具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。 同時,此次研究獲得了角錐體的最佳布置位置, 對其在實(shí)際工程中的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。 當(dāng)然,此次研究受制于時間和成本等諸多因素的制約, 并沒有對角錐體的幾何尺寸及設(shè)置數(shù)量的影響開展進(jìn)一步的研究, 這也是今后研究的主要方向及應(yīng)該解決的主要問題。 通過上述兩方面的研究,可以獲得最佳設(shè)置方案,為工程應(yīng)用提供更有力的支持和借鑒。 □

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