王多銀, 蔣明杰, 穆軍帥, 段倫良*, 胡勇, 陳杰, 洪璐

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院, 重慶 400074; 2.國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心, 重慶 400074)

隨著中國內(nèi)河航運的快速發(fā)展,同時為了適應(yīng)三峽工程庫區(qū)蓄水的新水文環(huán)境,架空直立式高樁碼頭在長江上游碼頭建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。水流經(jīng)過樁群時,樁前出現(xiàn)壅水,產(chǎn)生下降水流,樁基底部出現(xiàn)的馬蹄形漩渦,繞流現(xiàn)象大大加強了水流挾沙的能力。樁前的下降水流不斷淘刷樁基沙床,沖蝕樁基結(jié)構(gòu),將泥沙運輸至下游區(qū)域,這種沖淤變化會樁基的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響,會造成維護費用大規(guī)模增加。

相關(guān)學(xué)者開展水工模型物理試驗時將非恒定流流量過程釋放為恒定流過程,這對于研究泥沙淤積、河床沖刷變形、岸坡失穩(wěn)等問題是不準確的。目前不少學(xué)者在模型試驗中采用了非恒定流過程,在研究中施放的非恒定流過程大致可分為3類:一是天然河流的實測流量過程;二是三角波、正弦波等規(guī)則形狀的流量過程,如馬愛興等[2]和劉春晶等[3]對推移質(zhì)運動的研究;三是隨機水文學(xué)方法模擬,如戴昌軍等[4]針對多維對數(shù)正態(tài)分布,采用統(tǒng)計試驗方法,比較研究了基于正態(tài)化變換(Moran)方法、傳統(tǒng)經(jīng)驗頻率方法和將多維轉(zhuǎn)化為一維的費永法方法共3種多維聯(lián)合分布計算方法的統(tǒng)計性能。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用南水北調(diào)東線工程沿線不同水文區(qū)主要站點年徑流資料,分析了長江、淮河及黃河流域年徑流的豐枯遭遇組合概率。

目前中外對單樁繞流現(xiàn)象的研究已經(jīng)有大量的研究成果[5-8]。然而工程中大多采用群樁基礎(chǔ),而其結(jié)構(gòu)性質(zhì)以及對流體的挾沙作用與單樁存在較大差異,因此對群樁繞流現(xiàn)象的研究十分必要。柱體繞流研究方法主要包括物理模型試驗和數(shù)值模擬研究。

在物理模型研究方面,Lam等[9]、Alam等[10]和Pouryoussefi等[11]對不等直徑串列雙圓柱和不同排列的三圓柱和四圓柱進行了模型試驗,研究其繞流特性。Liu等[12]進行了圓柱繞流物理模型試驗并進行充分的總結(jié)分析。陳波等[13]采用粒子圖像測速技術(shù)(particle image velocimetry,PIV)分別對近壁串列和并列雙圓柱進 行了試驗研究,通過改變圓柱中心距和間隙 比,給出了圓柱尾跡特性和斯特勞哈爾數(shù)的變化。尹廣洲等[14]在雷諾數(shù)為 300時,采用開式循環(huán)水槽試驗臺,結(jié)合PIV技術(shù) 對不同傾角的近壁雙圓柱 模型進行了試驗研究。而鄧勇等[15]基于圓柱繞流循環(huán)水槽實驗臺,結(jié)合粒子圖像測速系統(tǒng),對壁面邊界層層流區(qū)域插入串列雙圓柱模型進行了實驗研究。邱翔等[16]采用PIV技術(shù)對近壁面圓柱繞流流場進行了實驗測量,重點研究了不同間隙比和不同雷諾數(shù)下近壁面圓柱繞流尾流結(jié)構(gòu)的演化特性。

在數(shù)值模擬研究方面,相比于實驗研究,計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)數(shù)值模擬方法成本低、速度快。近年來,隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,CFD數(shù)值模擬方法更加受到重視。Travin等[17]運用分離渦方法數(shù)值模擬了不同雷諾數(shù)下單圓柱繞流的情況,驗證了分離渦流模擬(Detached-Eddy simulation,DES)方法數(shù)值模擬圓柱繞流的可行性。高洋洋等[18]和李聰洲等[19]采用不同數(shù)值模擬方法,對柱體繞流進行三維數(shù)值模擬,研究了不同雷諾數(shù)下柱體繞流的水動力特性。張瑞安等[20]采用直接數(shù)值模擬(direct numerical simulation,DNS)方法數(shù)值模擬了小間距比(L/D≤0.5,其中L為圓柱間距,D為圓柱直徑)近壁面單圓柱繞流的流場,并采用瞬時渦度偏差(instantaneous vorticity deviation,IVD)和拉格朗日平均渦度偏差(Lagrangian-averaged vorticity deviation,LAVD)方法對渦旋在脫落初期及壁面碰撞階段的演化進行研究。孫婉榮等[21]運用流體仿真軟件(Fluent)對單/雙圓柱繞流非定常流場進行數(shù)值模擬計算,分析了渦脫落的發(fā)展演變過程。采用動態(tài)模態(tài)分解(dynamic mode decomposition,DMD)方法對圓柱繞流流場進行穩(wěn)定性判斷,利用分解得到的DMD模態(tài)數(shù)據(jù)對流場進行還原,并對還原流場的誤差進行分析。杜曉慶等[22]和袁猛等[23]使用動態(tài)模態(tài)分解方法對串/并列圓柱繞流場特征的內(nèi)在變化規(guī)律進行探索,并對圓柱繞流渦量數(shù)據(jù)進行了分析。

近年來,國內(nèi)研究者對于群樁繞流進行了較為全面的研究,并取得一定突破性進展[24-27],然而現(xiàn)有研究多以恒定流來研究樁體繞流現(xiàn)象,難以反映現(xiàn)實水流情況下的繞流特性。在非恒定流復(fù)雜水流條件下對樁群繞流特性研究還不夠深入,因此開展非恒定流下樁群繞流研究是十分必要的。為此,現(xiàn)基于長江上游洪水特征和重慶主城港區(qū)高樁碼頭樁群尺寸特征,開展非恒定流下間距比L/D=3.5時方形布置的四圓柱樁群繞流水槽試驗,研究非恒定流下樁群繞流的底部流場(z=1 cm)時均流速分布、紊動強度分布和流場變化。

1 水槽試驗介紹

采用物理模型試驗方法開展了在非恒定流下間距比L/D=3.5方形布置四圓柱樁群繞流底部流場特性研究,獲得了非恒定流下樁群底部流場數(shù)據(jù)。

1.1 水槽試驗裝置及模型材料

試驗在重慶交通大學(xué)河海學(xué)院航道整治廳內(nèi)6 m玻璃水槽中進行。試驗水槽系統(tǒng)主要由電磁流量計、電腦變頻器、高精度可變坡水槽、水泵、儲水箱、儲沙池、計算機等多個部分構(gòu)成。水槽高0.3 m,寬0.25 m,長6 m,主要由有機玻璃板組成,組裝尺寸誤差控制在±0.2 mm內(nèi)。試驗水槽布置示意圖如圖1所示,為了方便分析樁群繞流底部流場,在樁群前后布置成深度10 cm、長度50 cm、寬度25 cm的長方體沙床凹槽,使用0.3 mm均質(zhì)石英砂填充,如圖2所示。沙床距離水槽進水口3.2 m,距離出水口1.3 m。水流入口都設(shè)置有一定坡度的銜接,保證出入口的水流平穩(wěn),其余部分模擬河床均使用有機玻璃板。為了防止水泵抽水對入口水流造成波動而影響試驗,在試驗水槽的上游進水口處設(shè)置消能裝置,消能措施主要有兩種:一是在抽水口處鋪設(shè)卵石,其二是在進水口處設(shè)置塑料管狀過流板。水槽出水處設(shè)置尾門,可手動控制尾門開合程度來調(diào)整水槽尾門的出水量。在試驗中,尾門固定為某一固定值不變,水槽整體縱向比降i=3‰。

圖1 試驗水槽示意圖

圖2 沙床凹槽布置示意圖

試驗選用長度25 cm、Φ2 cm的實心有機玻璃管,樁群底部配合適用特制打孔的有機玻璃板(長×寬×厚=50 cm×25 cm×0.5 cm)嵌合,并且使用亞克力膠水黏合固定,避免模型樁在試驗過程中出現(xiàn)振動、傾覆、扭轉(zhuǎn),整體組合如圖3所示。

圖3 試驗用模型樁

只考慮單一粒徑泥沙運動,且為方便觀察,拍攝試驗中樁群繞流區(qū)域的床沙起動過程,試驗中不使用天然河沙,模型沙選用機制粒徑d=0.3 mm均質(zhì)石英砂。試驗前需對石英砂進行多次清洗去除粉質(zhì),并將其鋪設(shè)于長方體沙床凹槽內(nèi)。

1.2 試驗方案設(shè)置

為了注重洪水流量過程的可重復(fù)性和規(guī)律性,非恒定流施放采用正弦型流量歷時曲線,這種流量過程可以通過簡便的指標表示,便于試驗觀測、數(shù)據(jù)采集與分析。正弦型流量歷時曲線過程中的最小流速,需要滿足試驗?zāi)Ｐ蜕车钠饎恿魉倩蚵孕∮谄饎恿魉佟?/p>

根據(jù)無黏性均勻沙的起動流速公式,選用沙莫夫經(jīng)驗公式[式(1)]和崗卡洛夫經(jīng)驗公式[式(2)]。計算模型沙的起動流速,公式分別為

(1)

(2)

式中:Uc1、Uc2分別為泥沙起動流速;ρs、ρ分別為石英砂密度、水的密度;g為重力加速度,取9.8 m/s2;H為水深,取0.1 m;d、d95分別為泥沙粒徑參數(shù)。(ρs-ρ)/ρ取1.65,d、d95均取0.3 mm。計算可得Uc1=0.210 m/s,Uc2=0.261 m/s,對應(yīng)斷面流量Q1=Uc1bH=18.8 m3/h,Q2=Uc2bH=23.5 m3/h。

取Qmin=18.8 m3/h作為非恒定流正弦函數(shù)曲線谷底流量,確保在小水流情況下泥沙即將起動或正在起動。根據(jù)設(shè)備的造流能力與固定尾門后水槽壅水高度,選取Qmin=33.5 m3/h作為非恒定流正弦函數(shù)曲線峰值流量。

(3)

式(3)中:Q為流量,m3/h;T為時間,s。

試驗中非恒定流的模擬釋放過程采用階梯級模擬的方式。根據(jù)單峰型洪水發(fā)展過程,將流量的上漲與下跌可將過程分為兩個部分,針對不同部分將漲幅及跌幅均分為8段,累計共15個階段,如圖4所示。根據(jù)擬合得到的正弦形流量歷時曲線計算可得對應(yīng)點的時間坐標,計算可得非恒定流階段控制點基本參數(shù),如表1所示。

表1 非恒定流階段參數(shù)設(shè)置

圖4 非恒定流歷時曲線

考慮兼顧水流穩(wěn)定和不影響下一階段的控制,每一階段起始控制時間選擇上下兩個階段取樣區(qū)間中心時間的中點時間,則流量歷時曲線和取樣區(qū)間中心如圖4所示。可以看出,在一個放水周期內(nèi),同一斷面通過的實際控制流量(實際控制流量曲線與時間的積分面積)與理想流量(理想流量曲線與時間的積分面積)一致。試驗中ADV取樣區(qū)間時長為20 s。

1.3 測點布置

試驗采用了單點法對底流流場進行試驗測量,測點位置距底槽為1 cm,采集頻率為100 Hz。試驗時,使用ADV在水槽底部距離床面1 cm處測量非恒定流下樁群周圍多點三維流速,得到流速數(shù)據(jù)。

定義樁群四圓柱在水底平面上的中心為三維坐標軸原點,y軸正向取水流方向,x軸正向取指向左岸方向,且以水深方向為z軸負向。沿y軸方向共布置18個斷面,各斷面間隔2 cm。每個斷面上設(shè)置9個測點,各測點間隔2 cm。斷面及測點布置如圖5所示,其中標紅測點因儀器尺寸無法測量。為方便書寫,-3#斷面上的6號測點簡寫為“-3#-6”,涉及測點位置均按此規(guī)則簡寫。

圖5 速度測點布置示意圖

2 試驗結(jié)果分析

樁群繞流區(qū)域的測點流速會隨著時間而不斷變化,可視為紊流的脈動隨機性,從而使用統(tǒng)計學(xué)的方法進行研究。在流動過程中,水流質(zhì)點朝著主流方向運動,在三維空間坐標系中考慮質(zhì)點的運動,質(zhì)點的運動要素(流速、壓強)的大小方向都在時刻變化著,這種運動要素隨著時間隨機變化的現(xiàn)象稱為脈動或紊動。紊動的瞬時流速可以分解為時均值和脈動值兩部分,即

(4)

(5)

為了進行無量綱化,定義相對紊動強度計算公式為

(6)

2.1 樁群周圍時均流速分布

2.1.1 縱向時均流速分布

圖6 典型斷面測點縱向時均流速分布

圖7 典型斷面測點橫向時均流速分布

樁群區(qū)域包含-3#、-2#、-1#、0#、1#、2#、3#共7個斷面。圖6中-3#斷面上樁心連線外流速大,樁心連線內(nèi)流速較小,這是因為-3#斷面在樁群前,受樁群阻水作用影響,導(dǎo)致樁心連線外流速大,樁心連線內(nèi)流速小。位于樁群區(qū)域附近的斷面測點流速大小分布較亂,同一測點的流速大小變化隨非恒定流流量大小變化不明顯;且在樁群左側(cè)測點縱向流速更大,尤其在-1#、0#、1#斷面上表現(xiàn)更加明顯。從2#斷面后水流方向受樁群阻水作用減小,各斷面上測點流速大小分布相同。

2.1.2 橫向時均流速分布

2.2 流速紊動強度分布

2.2.1 縱向流速相對紊動強度

各斷面上不同測點縱向流速相對紊動強度Nv隨時間的變化分布如圖8所示。

圖8 典型斷面測點縱向流速相對紊動強度分布

縱向流速相對紊動強度與流量大小有關(guān),與所處階段無關(guān)。流量越大,縱向相對紊動強度越小,這是因為流量越大時,水槽內(nèi)水位越高,底部流場趨于平靜;在每個斷面,縱向流速相對紊動強度都是關(guān)于900 s對稱的,說明在流量一致的情況下,位于底部流場上的同一測點縱向流速相對紊動強度一樣,與非恒定流所處的上升階段與下降階段無關(guān),僅與流量大小有關(guān)。

2.2.2 橫向流速相對紊動強度

試驗中,測點上的橫向流速過小,造成x方向流速相對紊動強度Nu范圍在0～103,導(dǎo)致圖表顯示不便于觀察。x方向流速紊動強度σu隨時間的變化分布如圖9所示。

圖9 典型斷面測點橫向流速紊動強度分布

橫向流速紊動強度Nu與流量大小有關(guān),與非恒定流所處的階段無關(guān),表現(xiàn)為橫向流速紊動強度σu關(guān)于900 s是對稱的,說明在流量一致的情況下,位于底部流場上的同一測點橫向流速紊動強度σu一樣,與非恒定流所處的上升階段與下降階段無關(guān)。

在樁群前區(qū)域,各測點的橫向紊動強度σu相對集中,分布在0.02～0.05 m/s。在樁群區(qū)域,各測點的橫向紊動強度Nu分布不集中,尤其是0#斷面以后,在0#、1#、2#、3#,空間上靠近水流中間測點(4號、6號)的紊動強度σu最大,說明樁群繞流區(qū)域加劇了橫向流速的紊動,且對水流中間測點影響最大。樁群后區(qū)域橫向紊動強度σu分布由不集中逐步變?yōu)榧?靠近繞流區(qū)域的4#、5#、6#橫向紊動輕度具有樁群區(qū)域一樣的分布性質(zhì),9#、10#橫向流速紊動強度σu分布逐漸集中,水體將會逐漸恢復(fù)平穩(wěn)。

3 結(jié)論

采用水槽試驗研究了非恒定流下樁群周圍縱向時均流速、橫向時均流速、縱向流速相對紊動強度和橫向流速紊動強度的分布特征,基于試驗結(jié)果得到如下結(jié)論。

(1)對于底部流場,縱向時均流速都為正值,空間上關(guān)于水流中軸線對稱的測點橫向時均流速大小相同,方向上朝向水流中軸線,各測點橫向時均流速、縱向時均流速大小變化與非恒定流流量大小變化相一致。

(2)樁群區(qū)域測點縱向時均流速呈現(xiàn)樁心連線外大,樁心連線內(nèi)小,且同一測點的流速大小變化隨非恒定流流量大小變化不明顯。樁群后區(qū)域各斷面測點縱向流速在同一時刻下分布相對集中,但存在左右水體振蕩的趨勢。

(3)樁群前區(qū)域橫向時均流速較小,均在0.02 m/s以下。樁群區(qū)域橫向時均流速受樁群繞流作用增強,出現(xiàn)了明顯的增大現(xiàn)象,部分測點出現(xiàn)了橫向流速隨歷時上下跳躍的現(xiàn)象。樁群后區(qū)域橫向時均流速逐漸趨于0。

(4)縱向流速相對紊動強度、橫向流速紊動強度與流量大小有關(guān),與非恒定流所處的階段無關(guān),樁群繞流區(qū)域會加劇縱向和橫向流速的紊動強度,在繞流區(qū)域后水體會逐漸恢復(fù)平穩(wěn)。