不同丁坝间距对水流特性的影响研究.pdf

第 22 卷 第 2 期2023 年 6 月宁 夏 工 程 技 术Vol.22 No.2Ningxia Engineering TechnologyJun.2023不同丁坝间距对水流特性的影响研究刘丹丹1，2，吕阳川2，杨雄2（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥230088；2.北方民族大学 土木工程学院，宁夏 银川750021）摘 要：丁坝具有束窄水流、防冲减淤的作用，坝头附近流场呈三维紊动特性使河道受到强烈冲刷。在实际工程中，丁坝大多以丁坝群形式布设，丁坝间距直接影响绕流流场和局部冲刷，合理的丁坝间距，不仅节约成本，还能使丁坝群功能优化。选取不同丁坝间距并拟定 5 种对比方案，建立三维紊流数学模型，基于计算流体力学数值模拟方法，采用 RNG k-湍流模型，模拟非淹没型直立正挑薄壁丁坝群对水流特性的影响。通过改变丁坝间距，分析不同丁坝间距对水位、流速、流态、回流区长度的影响。结果表明：随着丁坝间距的减小，坝下游水位下降变缓，坝间距为 1 m 时，分界线沿着坝首与河岸平行；丁坝间距与丁坝长度的比值在 157.5 时，最下游丁坝回流长度随丁坝间距的减小而减小；丁坝间距与丁坝长度的比值在 7.55 时，最下游丁坝回流长度随丁坝间距的减小而基本不变。对丁坝间距及数量进行适当调整，可有效改善局部冲刷和回流区长度。关键词：丁坝间距；水流特性；回流区；数值模拟中图分类号：TV863 文献标志码：A丁坝作为一种常见的水工建筑物，广泛应用于河道整治工程中，丁坝的布设可有效改变水流主流方向，减小丁坝所在岸的水流流速，弱化水流对河岸的冲刷，同时，主流区流速增大，促进河床泥沙的输移运动，减小泥沙淤积1-2。在实际工程中，由于部分丁坝设计不当，丁坝在水流冲刷侵蚀下，坝基逐渐被掏空，坝体坍塌的情况时有发生，造成巨大的经济损失，甚至危及沿河地区人民的生命安全3-6。为了使丁坝群更好地发挥作用，研究和掌握丁坝群附近流场、水流结构、冲刷机理、河床变形、冲刷深度等对实际工程具有一定的指导意义。国内外学者对此进行了大量研究。在模型试验方面，曹晓萌等7在多功能水槽中利用超声波多普勒流速仪（ADV）测量了在不同间距非淹没双体丁坝工况下的流速，给出了丁坝尺度划分准则。刘易庄等8采用粒子图像测速（PIV）系统对坝间水平面流场进行测量，探讨了淹没双丁坝对坝间水流的影响，结果表明，丁坝间距与丁坝长度的比值对坝间漩涡中心位置、坝间回流区及涡量分布有着显著影响。顾杰等9在 U 形水槽中弯道进口前布设丁坝，利用超声波水位测量和粒子图像测速（PIV）系统，研究了丁坝坝宽和距弯道进口断面的距离对弯道水流的影响，结果表明，上游布设丁坝，改变了弯道纵向水面线形态，削弱了弯道内的横向环流，且坝宽较小或丁坝与进口距离较小时，坝后回流区的长度较长。J.Ning 等10利用 ADV 在实验室水槽中测量了不同丁坝群间距对丁坝群绕流流场和局部冲刷的影响，并结合 Flow 3D 模拟计算，分析了丁坝群间距、泥沙粒径及冲刷深度之间的关系。凃洋等11基于粒子跟踪测速（PTV）技术对 180弯道水槽不同流量下的水流表面流速进行测量，分析了大流量和小流量两种条件下凹、凸岸的水流变化及顶冲点位置。在数值模拟方面，薛海等12采用RNG k-湍流模型模拟了在 90弯道中单丁坝的不同布设角度对输沙作用的影响，结果表明，下挑丁坝更有利于泥沙输移，改善凸岸的淤积问题。张岩等13采用 RNG k-湍流模型和 VOF 模型模拟 60弯道内的单丁坝长度（0.15，0.25，0.35 m）对弯道水力特性的影响，结果表明，当丁坝长度增大时，混流区尺度也随之变大，流体湍动能也随之增大，且在坝后分离区，湍动能达到最大。吴伊平等14基于计算流体力学（CFD）方法模拟宽浅河道中丁坝挑角上挑60、正挑、下挑 120条件下回流区流场和湍动能的分布。杨旭亮等15基于计算流体力学（CFD）数值模拟的方法，分析了双丁坝协同工作时的水沙运动特文章编号：1671-7244（2023）02-0128-06收稿日期：2022-03-23基金项目：宁夏自然科学基金项目（2022AAC03283）；北方民族大学一般科研项目（2022XYZTM01，2022XYZTM02）作者简介：刘丹丹（1991），女，实验师，博士研究生，主要从事河流动力学研究（）。第 2 期刘丹丹等：不同丁坝间距对水流特性的影响研究性，结果表明，当双丁坝长度相差小于 10 cm 时，坝间河岸被双丁坝回流区掩护，冲刷坑位置在两丁坝之间，冲深较小，充分发挥了丁坝的护岸作用。官庆朔等16利用 MIKE 21 软件模拟了王家院水库工程原工况和设计工况，分析了洪水条件下丁坝群对坝脚处流场的影响，设计新增的丁坝群对水库的坝坡和坝脚保护作用明显，可以更好地发挥平衡水位、稳定水势的功能。钟亮等17采用自回归马尔柯夫模型，将天然来流过程概化为波谷起冲和波峰起冲 2 种情况，基于平面二维水流泥沙数学模型，探讨了非恒定流作用下的阶梯型丁坝局部冲刷特性。丁坝间距是研究丁坝群问题的重要参数，直接影响绕流流场和局部冲淤。丁坝间距过大时，坝之间的掩护作用减弱，达不到控导作用；丁坝间距过小时，会增加河床阻力，影响泄洪效果。因此，通过模型试验或数值模拟，研究适宜的丁坝间距，再应用到实际工程中，既减小了造价和工程量，又能使丁坝群产生最好的效果。本文基于非结构网格建立三维RNG k-湍流数学模型，模拟非淹没型直立正挑薄壁丁坝群对水流的影响，通过改变丁坝间距，系统分析丁坝群在不同间距条件下对水位、流速、流态、回流区的影响。1数学模型1.1水流控制方程用张量形式描述三维水流运动的连续性方程和动量守恒方程为t+(ui)xi=0，（1）(ui)t+(uiuj)xi=-pxi+xi(uixj-uiuj)+Si，（2）式中：为流体密度，kg/m3；t 为时间，s；xi，xj（i，j=1，2，3）为笛卡尔坐标；ui，uj（i，j=1，2，3）分别为流体时均速度在各方向上的分量，m/s；p 为修正压力，Pa；ui，uj分别为脉动流速在各个方向上的分量，m/s；为分子黏性系数，（Ns）/m2；-uiuj为雷诺应力kg/（m s2）；Si为广义源项。1.2RNG k-控制方程RNG k-紊流模型通过修正湍流黏性系数并增加反映主流的时均应变率，能较好地模拟紊动水流，则 RNG k-控制方程为kt+-ujkxj=-xj(-ujP+12-uiuiuj-vkxj)-uiuj-uixj-v-uixjuixj，（3）t+-ujxj=(C1k)2vt-S2ij+xj(v+vtk)xj-(C2k)，（4）式中：k 为湍动能，m2/s2；v 为流体运动黏性系数，m2/s；为湍动能耗散率，m2/s3；P为脉动压强，Pa；vt为涡黏性系数；Sij为平均运动的应变变化率张量；k为经验系数；C1，C2为经验系数，取值 C1=1.48，C2=1.68。2数值模型及初始化2.1数值模型模拟水槽为长 20 m、宽 1 m、高 0.8 m 的矩形平坡直槽，在水槽右岸放置长 20 cm、宽 2 cm、高 40 cm的非淹没型直立正挑薄壁丁坝，如图 1 所示。测量单丁坝作用时回流区的长度，根据曹晓萌等7提出的基于大尺度涡不相重叠的作用尺度划分准则，在单丁坝回流区漩涡后布设第 2 个丁坝，组成双丁坝，随后在双丁坝作用的回流区长度范围内逐渐缩小丁坝间距并增加丁坝个数，观察不同丁坝间距下流场的变化。基于上述思路设置 5 种工况，建立数值模型。2.2初始化本文对计算区域进行四面体结构化网格剖分，对丁坝附近进行局部网格加密，采用有限体积法离散控制方程，利用 ANSYS Fluent 进行模拟计算。上表面采用 VOF 法追踪自由液面变化，表面张力系数取值为 0.07。入口边界条件为空气入口和水流入口，空气入口设置表面相对压强为 0，水流入口设置速度为 0.5 m/s。模型底面及坝体表面均设置为无滑移固壁边界，采用标准壁面函数法处理。由于水槽为明渠流动，出口水位设置为 0.2 m。根据公式 k=0.003 75u2，=0.09k3/218，计算得出初始化湍动能为9.37510-4 m2/s2，湍动能耗散率为 2.5810-6 m2/s3，网格总数为 622 275，时间步长设为 0.5 s，计算到速度达到稳定为止。3模拟结果分析3.1水位分析图 2 中工况 1 是单丁坝；工况 2 是双丁坝，丁坝129宁 夏 工 程 技 术第 22 卷间距为 3 m；工况 3 中丁坝间距为 2 m；工况 4 中丁坝间距为 1.5 m；工况 5 中丁坝间距为 1 m。本文分析距离左岸 0.1 m、距离右岸 0.1 m 及水槽中间 3 个位置处的水位沿程变化情况。由图 2 可知，5 种工况下首坝坝前由于丁坝的壅水作用，坝前水位上涨，坝后水位降落，落差在 24 cm。当水流通过最后一个丁坝后，水位开始缓慢回升。工况 2、工况 3、工况 4 中所有丁坝前后水位波动变化大，而工况 5 除首坝前后水位变化较大外，其余丁坝前后水位波动不大。这说明随着丁坝间距的不断减小及丁坝数目的不断增加，水位整体下降且变化平缓。3.2平面流场分析图 3 给出了水深 10 cm 处的平面流场及流线分布图。由图 3 可知，5 种工况下的流速分布差别不大，说明丁坝间距变化对流场流速的影响比较小。从表面流态分布看，丁坝间距在 3，2，1.5 m 时，水流在丁坝群坝头附近处波动较大。其原因是：在首个丁坝的挑流作用下，水流绕过坝头后开始出现分离，分离点以上主流由中间位置逐渐向左岸偏离，分离点以下，在丁坝后部形成了较大的回流区漩涡。当丁坝间距逐渐减小到 1 m 时，首丁坝的掩护作用范围逐渐加强，在丁坝之间的回流区内部，回流区宽度和长度都有所减小，分界线沿着坝首与河岸平行。3.3横向流速分布图 4 为 5 种工况下 10 个典型断面横向流速分布情况。由图 4 可知，主流由中间位置均向左岸发展，流速自底层沿垂向逐渐增大。单丁坝（工况 1）MFL5MFa1X/m11121314151620789101718191#m0.260.250.240.230.220.210.200.19MFL5MFb2X/m11121314151620789101718191#2#m0.240.230.220.210.200.190.180.170.16MFL5MFc3X/m11121314151620789101718191#2#3#m0.240.230.220.210.200.190.180.170.16MFL5MFd4X/m11121314151620789101718191#2#3#4#m0.240.230.220.210.200.190.180.17MFL5MFe5X/m11121314151620789101718191#2#3#4#5#6#m0.240.230.220.210.200.190.180.17图2不同工况沿程水位变化图X/mS1 MSZ/m11#X/mZ/m11#2#3#X/mZ/m11#2#3#4#X/mZ/m11#2#LDL=3maMAX/mZ/m11#2#5#4#3#6#S2S3S4S5S6 S7S8S9 S10S1 MS S2S3S4S5S6 S7S8S9 S10S1 MS S2S3S4S5S6 S7S8S9 S10S1 MS S2S3S4S5S6 S7S8S9 S10S1 MS S2S3S4S5S6 S7S8S9 S10078910111213141516200789101112131415162007891011121314151620078910111213141516200789101112131415162012345LDL=2mLDL=1.5mLDL=1mE M1 m0.8 m0.2 mM40 cm20 cm2 cmF图1水槽及丁坝布置130第 2 期刘丹丹等：不同丁坝间距对水流特性的影响研究作用下，水流绕过坝头断面收缩，主流一部分折向坝头处，从坝头开始逐渐向左岸发展，导致左岸流速明显大于右岸流速，在坝后 1