促淤板水流特性数值分析_黄伊偲.pdf

DOI:10.12170/20211224001黄伊偲，徐立君，程永舟，等.促淤板水流特性数值分析 J.水利水运工程学报，2023（2）：24-33.（HUANG Yicai,XU Lijun,CHENG Yongzhou,et al.Numerical analysis of flow characteristics of perforated deposit-promoting plateJ.Hydro-Science andEngineering,2023（2）:24-33.（in Chinese）促淤板水流特性数值分析黄伊偲1，徐立君2，程永舟1，唐彬欣1(1.长沙理工大学 水利与环境工程学院，湖南 长沙 410114；2.湖南水利水电职业技术学院，湖南 长沙 410100)摘要:在航道整治和河道治理工程中，常使用促淤结构来促进泥沙淤积、保护洲滩。结合导板结构与透水结构的特点，提出一种新型促淤护滩结构开孔促淤板。为进一步分析开孔促淤板的促淤拦沙效果，基于 RNG k-紊流模型建立了三维开孔促淤板水流数值模型，并通过物理模型试验对数值模型进行验证。计算分析了流速、开孔率、相对单孔面积等因素对流速、减速率的影响，拟合得到最优开孔率与最佳单孔面积的预测经验公式。结果表明：相对单孔面积对板前流态影响较小，对板后的流速、流态及减速区的形成有影响；开孔率越大，板后减速效果越差，开孔率为 30%时，近底区域减速效果最好；来流流速会影响开孔促淤板的减速效果，来流流速为 0.2 m/s 时减速效果最好。关键词：促淤板；相对单孔面积；减速率；流速；开孔率中图分类号：TV85 文献标志码：A 文章编号：1009-640X(2023)02-0024-10 促淤技术是航道整治、河道治理中重要的研究方向。透水结构能有效减缓近底流速，促进泥沙淤积，从而达到洲滩淤积、保护洲滩的目的。参考国外航道整治工程中广泛使用的潜水导板结构1，并结合透水型结构的减速效果2-4，提出一种新型护滩结构开孔促淤板。开孔促淤板是一种通过减缓近底流速促进泥沙淤积，实现护岸护滩的新型结构。开孔促淤板的开孔率和开孔尺寸对促淤板周围流态有影响。有研究5-7表明透水丁坝的透水率在 20%30%时，坝后回流逐渐消失形成缓流；樊新建等8 研究认为透水丁坝的透水率为 30%时促淤效果最好；贠宝革9研究认为回流区的范围随透水丁坝开孔率的增大而增大；许恩乐等10的研究结果为防风沙网的阻力系数随开孔率的增加呈减小趋势；吕祚睿等11对开孔潜堤研究时也认为存在最优开孔率使透射系数最低。开孔尺寸也会影响开孔结构与流体的相互作用。申帅辉等12认为透水丁坝的透水孔数量越多，流速越均匀，丁坝的缓流促淤效果越好；张为等13提出了三边固定型新型促淤装置，指出选择合适的孔径可以起到良好的促淤效果；许栋等14认为防风网整体空气阻力远大于单孔阻力的线性叠加；许恩乐等10认为防风网的阻力系数随开孔直径的增大而减小。水流状态也同样会对开孔结构的稳定性造成影响。姚仕明等15研究发现四面六边透水框架可应用于缓流区，急流区不宜使用。研究开孔促淤板的流速适用范围对推广开孔促淤板的应用也具有现实意义。本文基于降荷载减流速思路，结合开孔结构的特点，提出开孔促淤板结构形式，运用数值模拟方法对该新型结构的水流特性进行研究。通过分析开孔促淤板周围的水动力特性随其结构参数的变化规律，进而分析其减速促淤机理，并提出最优开孔结构形式，拟合得到最优开孔率与最佳单孔面积的预测经验公式。开孔促淤板结构形式如图 1，考虑到支护边桩不属于试验的主体部分，对促淤减速的作用不大，因此模型试验中不考虑支护边桩。收稿日期：2021-12-24基金项目：国家自然科学基金资助项目（52071031）；湖南省水利科技项目（XSKJ2019081-48）；湖南省研究生科研创新项目（CX20200859）作者简介：黄伊偲（1998），女，湖南浏阳人，硕士研究生，主要从事河流动力学研究。E-mail：通信作者：徐立君（E-mail：）第 2 期水利水运工程学报No.22023 年 4 月HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERINGApr.2023 1 数值模型FLOW-3D 独特的 FAVOR 网格技术，可以通过矩形网格描述复杂的几何外形，使模拟的三维瞬态自由液面效果更为精确，常用于自由液面流体、流体复杂运动等三维仿真模拟。RNG k-模型是基于传统 k-模型的一种改进形式，能相对精准呈现流体发生大变形时产生的弯曲流态、旋涡等运动特征。在FLOW-3D 软件中，流体被视为不可压缩黏性牛顿流体，流体运动满足三大守恒定理，模型利用 FLOW-3D 里内置的 FAVOR网格技术，在流体运动的连续性方程和动量方程中加入了流体体积和面积参数，具体表达式为：连续方程：(uAx)/x+(vAy)/y+(wAz)/z=0(1)雷诺时均 N-S 方程：|ut+1VF(uAxux+vAyuy+wAzuz)=1px+Gx+fxvt+1VF(uAxvx+vAyvy+wAzvz)=1py+Gy+fy(2)黏性加速度表达式为：|VFfx=(Axxx)/x+(Ayyx)/y+(Azzx)/zVFfy=(Axxy)/x+(Ayyy)/y+(Azzy)/zVFfz=(Axxz)/x+(Ayyz)/y+(Azzz)/z(3)u vwx yzAxAyAzpVFGxGyGzfxfyfz式中：、为流体在、方向上的速度分量;、为各方向上的面积分数；为流体密度；为作用于流体上的压力；为体积分数；、为各方向上的重力加速度；、为各方向上的黏性加速度；xx、xy、xz、yx、yy、yz、zx、zy、zz为液体各方向的应力。针对开孔促淤板水流特性进行数值模拟分析，水流穿过开孔促淤板后流态相对紊乱，因此，紊流模型选用 RNG k-模型，其紊动能和紊动耗散率表达式如下：kT/t+1/VF(uAxkT/x+vAykT/y+wAzkT/z)=PT+GT+DkTT(4)T/t+1/VF(uAxT/x+vAyT/y+wAzT/z)=C1T/kT(PT+C3GT)+DC22T/kT(5)kTPTGTDkTDVFC1C3C1kTPTT式中：为紊动能；为速度梯度产生的紊动动能；为浮力产生的紊动动能；和分别为 Ai（Ai,i=x，y，z，Ai表示各方向上的面积分数）和的紊动扩散项；和分别取 1.42 和 0.20，由和计算可得；为紊动能耗散。采用有限差分法离散控制方程，将控制方程离散为网格各节点上的代数方程组，压强、密度等参数通过控制单元中心定义。GMERS 算法对 N-S 方程的求解精度较高且计算收敛速度较快。因此，本文采用GMERS 求解器进行数值模拟。支护边桩开孔促淤板 图 1 开孔促淤板结构示意Fig.1 Schematic diagram of the structure of the perforateddeposit-promoting plate 第 2 期黄伊偲，等：促淤板水流特性数值分析25 2 数值模型验证 2.12.1数值模型设置水槽长 20.0 m，宽 0.8 m，高 0.6 m，为缩短计算时长，计算模型借鉴 Du 等16对圆柱冲刷的几何模型建模方法，利用 FLOW-3D 自带的对称边界进行模拟。水流沿 y 方向流动，开孔板距离入口处 13 m，距离出口处 7 m，以保证水流能够充分发展。上游进口边界设置为流量进口，流量设置为水槽试验流量的一半（0.036 m3/s），出口边界设置压力出口，水槽底部设置为固壁无滑移边界，采用标准壁面函数法进行处理，水槽两侧设置为对称边界，利用 VOF 法对自由液面进行捕捉（图 2）。利用 FLOW-3D 中的对称边界取数值水槽尺寸，从而减小计算量。模拟网格划分：采用网格嵌套方式对开孔板进行局部加密，数值模型运用六面体正交网格进行模拟，水槽的整体网格尺度设为 0.008 m，采用渐变式网格，开孔板附近设置嵌套网格，嵌套网格块完全处于整体网格块的内部，网格尺寸为 0.004 m，总网格数约为 1 507 500 个（图 3）。2.22.2物理模型试验试验水槽如图 4 所示。试验水槽总长为 45.0 m，宽 0.8 m，高 1.0 m，最大流速 1.5 m/s，为便于观察，水槽侧壁为透明有机玻璃。同时，为了保证水流稳定性，在水流入口安装整流栅来进行水流消能，整流栅坡度设置为 30，水流可视为均匀流，流量通过电磁流量计进行测量，由调节阀控制，水槽的中部为试验段（图 4）。试验过程中将由 PVC 材质制成的开孔促淤板（长 0.78 m，高 0.40 m，厚 0.02 m）垂直固定在卡槽中，试验在明渠均匀流中进行，试验采用 ADV 进行流速测量。试验工况如下：来流流速 v 为 0.30 m/s，试验水深H 为 0.30 m，测点分别布置于板前 1.0、1.5 m，板后 0.5、1.0、1.5、2.0 m，测点布置从床面 1 cm 处起，每隔 1 cm测 1 组流速，提取各测点的垂线时均流速数据。图 2 数值水槽三维模型简图Fig.2 Three-dimensional sketch of a numerical sink model xzy 图 3 数值水槽网格划分示意Fig.3 Schematic diagram of numerical sink meshing 推板造波机恒定流造流水泵循环造流系统45 mHADV沉淀池(b)模型布置(a)模型试验波流水槽测流断面消能网 图 4 物理模型试验Fig.4 Physical model testing 26水 利 水 运 工 程 学 报2023 年 4 月 2.32.3验证结果对比|AB|/A由图 5 可见，各断面数值模拟的垂线流速及水位均与物理模型试验结果相近。定义偏移系数为，其中，A 代表物模实测值，B 代表数模计算值。经统计，流速偏移系数最大值为 7.5%，沿程水位偏移系数最大值为 4.7%。数值模拟与物理模型结果整体拟合度超过 90%，这说明数值模拟结果可靠，可用于开孔促淤板水流特性研究。3 试验结果及分析本文将开孔率 定义为开孔面积与板面积的百分比，相对单孔面积 m 为单孔面积与开孔总面积之比。在数模中按需选择开孔尺寸，对于同一开孔率，改变开孔板纵向孔数（开孔板上每列的开孔数）及间距来获取不同的开孔布置。因此相对单孔面积也用纵向孔数表示。试验工况见表 1。3.13.1相对单孔面积对流速的影响图 6 为 30%开孔率下各种相对单孔面积的垂向流速分布。取板前、后各断面（Y=H、Y=H、Y=3H、Y=5H、Y=7H、Y=10H，Y 为测流断面与开孔板之间的距离，以向板后为正，H 为试验水深）垂向流速进行对比分析。在相同开孔率、水流条件、纵向开孔数下，在 Y=H 处，各开孔板的流速基本一致（图 6(a)）。在 Y=H 处和 Y=3H 处，各开孔板后流态差异明显（图 6(b)和(c)）。Y=10H 处，水流基本趋于稳定（图 6(f)）。这说明相对单孔面积对板前流态影响较小，对 Y10H 内的流态影响较大，在 Y10H 后影响逐渐减弱。从各垂线流速图可以看出，在 Y3H 范围内，开孔数较少的 5 孔和 6 孔，其近底区域的流速明显小于开孔数较多的（7 孔和 8 孔）。这说明在开孔率一定的条件下，竖向孔数减小，相对单孔面积增大，更有利于开孔促淤板近底区域的促淤效果。表 1 试验工况Tab.1 Test working conditions模拟工况 开孔率/%相对单孔面积/%纵向孔数流速/（ms1）水深/m1561.1250.150.3021.40431.87342.8025460.7760.150.3060.96571.28481.9239400.4170.150.30100.486110.575120.71413300.2380.150.30140.277150.316160.38517300.3850.100.30180.20190.25200.30 数模数据物模数据数模数据物模数据数模数据物模数据00.050.10