淹沒(méi)雙丁壩間水流結(jié)構(gòu)特性PIV試驗(yàn)

劉易莊，蔣昌波，2，鄧 斌，2，王 剛

(1．長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004;2．水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410004;3．中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510230)

丁壩能夠引導(dǎo)水流，防止河岸發(fā)生沖刷而淤高河灘，是一種廣泛使用的航道整治建筑物。水流在繞過(guò)丁壩后，水流流場(chǎng)及壓力場(chǎng)都發(fā)生顯著變化［1］，在壩頭附近形成“馬蹄形”漩渦［2］以及一系列的尾流漩渦［3］，水流呈現(xiàn)較強(qiáng)的三維特性。許多學(xué)者［1，4-7］對(duì)單丁壩的來(lái)流特性、回流區(qū)特性、局部沖刷、沖刷坑內(nèi)水流結(jié)構(gòu)以及單丁壩周邊的流速、雷諾應(yīng)力分布及紊流特性等方面進(jìn)行了深入研究。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，大多采用丁壩群進(jìn)行航道整治，而雙丁壩是最簡(jiǎn)單的丁壩群，可以將雙丁壩視為研究丁壩群的單元，因此，研究雙丁壩間水流特性對(duì)理解壩間泥沙輸移和能量交換、選取合理的壩間距有著重要意義。徐曉東［8］采用聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)對(duì)雙丁壩附近水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，但ADV作為一種接觸式單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)，必然會(huì)對(duì)測(cè)點(diǎn)周邊水流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)造成較大干擾。粒子圖像測(cè)速(particle image velocimetry，PIV)是一種瞬態(tài)、多點(diǎn)、無(wú)接觸式的流體測(cè)速技術(shù)，可提供豐富的流場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)，因此能較好地彌補(bǔ)ADV測(cè)量技術(shù)的不足。齊鄂榮等［8-9］采用PIV研究了二維突起物繞流結(jié)構(gòu)，主要分析了漩渦結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及發(fā)展過(guò)程、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的時(shí)均特點(diǎn);張冠卿等［11-12］采用PIV研究了單丁壩壩后水流特征，對(duì)壩后時(shí)均流速及渦量場(chǎng)進(jìn)行了分析;Weitbrecht［13］采用PIV研究了摻混區(qū)水流特性。

以往關(guān)于PIV對(duì)丁壩的研究一般都集中在單丁壩或丁壩群的流速分布、紊動(dòng)特性及漩渦結(jié)構(gòu)等方面，本文采用PIV對(duì)淹沒(méi)雙丁壩間水流流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，主要分析丁壩間距與丁壩長(zhǎng)度的比值(d/B)對(duì)壩間平面回流區(qū)流速分布、零速度線以及渦量分布的影響。

1 試驗(yàn)方法

1．1 試驗(yàn)條件與試驗(yàn)裝置

圖1 水槽試驗(yàn)裝置及PIV系統(tǒng) (單位:m)

圖2 丁壩示意圖

試驗(yàn)在長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利實(shí)驗(yàn)中心的變坡水槽(試驗(yàn)中采用平坡)中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)16 m，寬0.4 m，高0.5 m。水槽采用水泵供水，在水槽尾部設(shè)置調(diào)節(jié)水位的格柵尾門(mén)，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。丁壩采用透明有機(jī)玻璃制成，長(zhǎng) B=5 cm，高 h=18 cm，厚t=1 cm，如圖2所示。流場(chǎng)測(cè)試采用美國(guó)TSI公司的PIV系統(tǒng)，其中光源為雙脈沖激光，采用強(qiáng)激光(強(qiáng)度約為120mJ)以保證能均勻照亮所測(cè)流場(chǎng)，由同步器控制觸發(fā)，采集頻率為1.04 Hz;PIV系統(tǒng)通過(guò)CCD(2048×2048像素)記錄圖像數(shù)據(jù)并傳輸?shù)絀NSIGHT3G軟件進(jìn)行分析，圖像采集間隔為100μs。試驗(yàn)測(cè)量了3個(gè)不同相對(duì)水深(z/h=1/6、z/h=1/2、z/h=5/6，z軸以水槽底為零點(diǎn)，沿水槽壁往上為正)的水平面流場(chǎng)，測(cè)量區(qū)域大小為200 mm×200 mm，試驗(yàn)測(cè)量區(qū)域及坐標(biāo)系如圖1(a)所示。

1．2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)流量Q=57.6 m3/h，水深H=0.20 m，流速u(mài)s=0.20 m/s，在3種不同壩間距d(d=0.075 m、d=0.15 m、d=∞(表示單個(gè)丁壩))的情況下分別測(cè)量z=0.03 m、z=0.09 m和z=0.15 m 3個(gè)水平面流場(chǎng)。試驗(yàn)過(guò)程中在水槽首部和尾部分別布置超聲波水位計(jì)測(cè)量試驗(yàn)水深。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3 不同相對(duì)水深水平面流場(chǎng)(d/B=3)

2．1 水平面流場(chǎng)

為探討淹沒(méi)雙丁壩不同相對(duì)水深位置的水平面(xOy平面)流場(chǎng)情況，選取壩間距d=0.15 m(d/B=3)、相對(duì)水深 z/h=1/6、z/h=1/2、z/h=5/6 的 3 個(gè)平面(圖3)進(jìn)行流場(chǎng)分析。由于上游丁壩的阻擋，壩后形成相對(duì)靜水區(qū)，壩頭水流由于丁壩的束窄作用導(dǎo)致流速增大，水流繞過(guò)丁壩后向無(wú)丁壩一側(cè)偏轉(zhuǎn)，與壩間相對(duì)靜水區(qū)形成剪切流，使壩間出現(xiàn)漩渦。從圖3(a)可以看出在壩間近底區(qū)水流較平順，形成了穩(wěn)定規(guī)則的漩渦;隨著相對(duì)水深的增大漩渦尺度變小(圖3(b));近水面處壩間水流流速分布忽大忽小、忽左忽右，流態(tài)較為混亂，也幾乎看不到漩渦 (圖3(c))，這是由于水流受到壩頂?shù)挠绊?，離壩頂越近水流流態(tài)越不平穩(wěn)，也越不易形成漩渦。由于在z/h=1/6處存在穩(wěn)定規(guī)則的漩渦，為了更好地闡述雙丁壩間回流區(qū)水流結(jié)構(gòu)特性及渦量分布規(guī)律，選擇z/h=1/6平面作為分析對(duì)象平面。

圖4為z/h=1/6平面不同壩間距的水平面流場(chǎng)。壩頭發(fā)生水流分離形成剪切流，使壩后形成漩渦。由圖4可以看出，當(dāng)d/B=1.5時(shí)，漩渦中心在壩頭線之上，隨d/B的增大，漩渦中心向壩頭線移動(dòng)，當(dāng)d/B=∞時(shí)，漩渦中心幾乎與壩頭線齊平。這說(shuō)明下游丁壩的存在限制了上游丁壩壩后漩渦的自由發(fā)展，而使得壩間漩渦受到下游丁壩的“擠壓”，并有向丁壩外側(cè)溢出的趨勢(shì);隨著壩間距的增大，下游丁壩的“擠壓”作用也越弱，因此漩渦中心向壩頭線移動(dòng)。

2．2 流速

圖4 不同壩間距水平面流場(chǎng)(z/h=1/6)

圖5為不同壩間距條件下雙丁壩附近x方向流速分布云圖(箭頭線為主流區(qū)與回流區(qū)分界線，虛線橢圓區(qū)域?yàn)樨?fù)流區(qū))，可以看出由于上游丁壩的阻擋，水流立即向無(wú)丁壩側(cè)偏轉(zhuǎn)，在壩間形成回流。將過(guò)上游丁壩壩頭的流線(箭頭線)作為回流區(qū)的分界線［14］，當(dāng) d/B=1.5時(shí)，回流區(qū)最大寬度為1.6B;當(dāng)d/B=1.5時(shí)，回流區(qū)最大寬度為1.8B;當(dāng)d/B=∞時(shí)，回流區(qū)最大寬度為2B。這說(shuō)明隨著d/B的增大，回流區(qū)寬度也隨之增大。此外，壩間回流區(qū)出現(xiàn)負(fù)向流速，當(dāng)d/B=1.5時(shí)，僅在下游丁壩頭出現(xiàn)明顯負(fù)向流速，隨著d/B的增大負(fù)流區(qū)向壩間移動(dòng)，且負(fù)流區(qū)面積(虛線橢圓區(qū)域)和負(fù)向流速大小也隨之增大。

圖5 壩后x方向流速云圖 (單位:m/s)

圖6 壩后特征斷面x方向流速分布

圖6 為 x=0、0.84B、1.68B、2.46B、3.24B 處 x方向流速分布(根據(jù)壩間距d=0.15 m平均選取5個(gè)斷面，豎線表示特征斷面，圓點(diǎn)與豎線之間的距離表示流速大小，橢圓區(qū)為壩頭逆流)?？梢钥闯鲈谙掠螇晤^處出現(xiàn)明顯逆流(橢圓圈內(nèi))，其最大負(fù)向流速分別為0.075 m/s(d/B=1.5)和0.068 m/s(d/B=3)，分別占主流流速u(mài)s的37.5%和34.0%;這是由于下游丁壩仍處在上游丁壩的影響范圍內(nèi)，減小了上游丁壩壩后回流長(zhǎng)度，為了維持壩間流體連續(xù)性［1］，因此壩頭出現(xiàn)逆流;并且d/B越大其負(fù)向流速越小，這是由于距離越大，下游丁壩對(duì)上游丁壩壩后回流區(qū)影響越小。

壩間回流區(qū)內(nèi)存在一條零速度線［4］，圖7給出了不同壩間距情況下零速度線位置的沿程變化曲線。由圖7可以看出，零速度線沿程變化可簡(jiǎn)化為線性變化，但其斜率各不相同，具體擬合公式如下:

由式(1)可以看出單丁壩壩后零速度線斜率為負(fù)，這與陳稚聰?shù)龋?］研究的結(jié)論一致;而雙丁壩間零速度線斜率為正，且壩間距越大零速度線斜率越小。

圖7 零速度線沿程變化

為了更加細(xì)化分析d/B對(duì)壩間回流區(qū)流速的分布影響，結(jié)合Weitbrecht［13］的研究方法分別選取x=0.25d、x=0.50d、x=0.75d 3 條測(cè)線 x方向流速進(jìn)行分析，壩間特征斷面流速分布如圖8(圖中橫線表示壩頭線，豎線表示特征斷面，十字點(diǎn)和圓點(diǎn)與豎線之間的距離表示流速大小)所示?；亓鲄^(qū)流速沿著丁壩方向先增大后減小(圖8)，且d/B越大，壩間流速也越大。當(dāng)d/B=1.5時(shí)，最大流速點(diǎn)靠近壩頭線區(qū)域，而當(dāng)d/B=3時(shí)，最大流速點(diǎn)則靠近邊壁(圖5(b))。這是由于當(dāng)d/B=1.5時(shí)下游丁壩頭出現(xiàn)較強(qiáng)的回流，壩間漩渦較小，x=0.75d測(cè)線穿過(guò)的下游丁壩壩后回流流線靠近壩頭，因此在靠近壩頭線處出現(xiàn)較大負(fù)向流速;而當(dāng)d/B=3時(shí)，壩間漩渦較大，x=0.75d測(cè)線穿過(guò)的下游丁壩壩后回流流線靠近邊壁，因此在邊壁處出現(xiàn)最大流速。

圖8 壩間特征斷面流速分布

在壩間回流區(qū)內(nèi)，兩種壩間距壩間流速相差不大，在靠近下游丁壩(x/d=0.75測(cè)線)才出現(xiàn)明顯差異。但在摻混區(qū)，由圖8可以看出，d/B越大，摻混區(qū)流速梯度越小，且進(jìn)入主流區(qū)的位置離壩頭線越遠(yuǎn)(d/B=1.5在y/H=0.375處進(jìn)入主流區(qū)，而d/B=3在y/H=0.5附近進(jìn)入主流區(qū))。

2．3 渦量

渦動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)丁壩附近沖淤以及摻混區(qū)的物質(zhì)交換有著重要影響，因此有必要對(duì)雙丁壩周邊渦量結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

垂直方向上渦量的計(jì)算公式［15］為

式中:ωz為垂向渦量;u、v分別為 x、y方向流速。

圖9為z/h=1/6時(shí)不同壩間距的平面垂向渦量。由圖9可見(jiàn)，水流繞過(guò)上游丁壩壩頭后分離，產(chǎn)生渦量值較大(負(fù)向)而范圍較小的漩渦，沿著水流方向渦量強(qiáng)度逐漸減小，漩渦呈“喇叭”式逐漸增大，漩渦范圍增加到一定值后，漩渦便分散成許多小塊。同時(shí)從圖9還可以看出，d/B越大漩渦越早分散;特別當(dāng)d/B=1.5時(shí)漩渦一直延續(xù)到下游丁壩壩后才分散，從而加速來(lái)流水體與壩間相對(duì)靜水區(qū)的摻混。以往研究認(rèn)為正渦量區(qū)只在貼近上下游丁壩壁、水槽壁以及壩間小回流區(qū)出現(xiàn)［15］，但此次研究發(fā)現(xiàn)由于下游丁壩壩頭出現(xiàn)較大逆流，渦量在下游丁壩壩頭附近出現(xiàn)較大范圍的正渦量區(qū)且渦量值最大可達(dá)0.02s－1(d/B=1.5)和0.01s－1(d/B=3)。

3 結(jié)論

a．水流繞過(guò)上游丁壩壩頭后邊界層即發(fā)生分離，壩間形成明顯回流區(qū)，d/B越大回流現(xiàn)象越明顯，漩渦中心越靠近壩頭線。

圖9 壩后渦量云圖 (單位:s－1)

b．壩間回流區(qū)寬度、負(fù)向流速區(qū)面積及負(fù)向流速大小隨著壩間距的增大而增大。下游丁壩壩頭均出現(xiàn)逆流，當(dāng) d/B=1.5時(shí)，負(fù)向流速最大可達(dá)0.075 m/s，占主流流速的37.5%;而在d/B=3時(shí)，最大負(fù)向流速為0.068 m/s，占主流流速的34%，說(shuō)明d/B越大逆流流速越小，下游丁壩壩頭附近水體交換強(qiáng)度越弱。

c．雙丁壩間零速度線沿程基本呈線性關(guān)系，且其斜率為正并隨d/B的增大而減小。此外，d/B越大壩間回流區(qū)最大流速點(diǎn)越靠近邊壁，摻混區(qū)流速梯度越小。

d．上游丁壩壩頭附近出現(xiàn)較大負(fù)渦量值，負(fù)渦量區(qū)沿水流方向呈“喇叭”式擴(kuò)展，而下游丁壩壩頭附近則出現(xiàn)較大正渦量值。

［1］陸永軍，周耀庭．丁壩繞流機(jī)理及其下游流場(chǎng)的研究［J］．河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1990，18(1):28-36．(LU Yongjun，ZHOU Yaoting．Study on flow mechanism and velocity field near groin-like structure［J］．Journal of Hohai University，1990，18(1):28-36．(in Chinese))

［2］KAMIL H M AL I．Simulation of flow around piers［J］．Journal of Hydraulic Research，2002，40(2):161-174．

［3］陳小莉，馬吉明．受漩渦作用的水下塊石的起動(dòng)流速［J］．清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，45(3):315-318．(CHEN Xaoli，MA Jiming．Critical velocity for initiation motion of rocks under water due to vortex motion［J］．JournalofTsinghua University:Science and Technology，2005，45(3):315-318．(in Chinese))

［4］陳稚聰，黑鵬飛，丁翔．丁壩回流分區(qū)機(jī)理及回流尺度流量試驗(yàn)研究［J］．水科學(xué)進(jìn)展，2008，19(5):613-617．(CHEN Zhicong，HEI Pengfei，DING Xiang．Division and flow scale investigation of circulation zone around spur dike［J］．Advances in Water Science，2008，19(5):613-617．(in Chinese))

［5］曹艷敏，張華慶，蔣昌波，等．丁壩沖刷坑及下游回流區(qū)流場(chǎng)和紊動(dòng)特性試驗(yàn)研究［J］．水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展:A 輯，2008，23(5):560-570．(CAO Yanmin，ZHANG Huaqing，JIANG Changbo，et al．The experimental research of the flow field and turbulence characteristics in the scour and backflow region around a groin ［J］．Chinese Journal of Hydrodynamics，2008，23(5):560-570．(in Chinese))

［6］DUANJ G．Mean flow and turbulence around a laboratory spur dike ［J］．Journal of Hydraulic Engineering，2009，135:803-811．

［7］CHEN Liping，JIANG Juncheng．Experiments and numerical simulations on transport of dissolved pollutants around spur dike［J］．Water Science and Engineering，2010，3(3):341-353．

［8］徐曉東．非淹沒(méi)正交雙體丁壩的水流特性及作用尺度研究［D］．杭州:浙江大學(xué)，2013．

［9］齊鄂榮，黃明海，李煒，等．應(yīng)用PIV進(jìn)行二維后向臺(tái)階流流動(dòng)特性的研究二維后向臺(tái)階流的旋渦結(jié)構(gòu)的研究［J］．水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展:A 輯，2004，19(4):525-532．(QIErong，HUANG Minghai，LIWei，etal Investigation of vortex structure of the 2D backward facing step flow via PIV ［J］．Chinese Journal of Hydrodynamics，2004，19(4):525-532．(in Chinese))

［10］齊鄂榮，邱蘭，盧煒娟，等．二維矩形突起物繞流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究［J］．水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展:A輯，2006，21(3):388-394．(QI Erong，QIU Lan，LU Weijuan，et al．Experimental investigation of structure of flow over 2D rectangular obstacle ［J］． Chinese Journal of Hydrodynamics，2006，21(3):388-394．(in Chinese))

［11］張冠卿，林鵬智．明渠流淹沒(méi)丁壩周?chē)鲌?chǎng)特性的實(shí)驗(yàn)［J］．水利水電科技進(jìn)展，2012，32(增刊 2):31-33．(ZHANG Guanqin，LIN Pengzhi．Flow characteristics around open channel submerged spur-dike［J］．Advances in Science and Technology of Water Resource，2012，32(Sup2):31-33．(in Chinese))

［12］賈國(guó)珍，佘俊華，王濤，等．淹沒(méi)丁壩壩后水流結(jié)構(gòu)PIV試驗(yàn)研究［J］．水電能源科學(xué)，2012，30(3):84-86．(JIA Guozhen， SHE Junhua， WANG Tao， etal． PIV measurement of flow structure behind submerged spur dike［J］．Water Resources and Power，2012，30(3):84-86．(in Chinese))

［13］WEITBRECHT V．Influence of dead-water zones on the dispersive mass transport in rivers［D］．Karlsruhe:Karlsruhe Institute of Technology，2004

［14］樂(lè)培九，李旺生，楊細(xì)根．丁壩回流長(zhǎng)度［J］．水道港口，1999(2):3-9．(YUE Peijiu，LI Wangsheng，YANG Xigen．Length of whirlpool behind dikes［J］．Journal of Water and Harbor，1999(2):3-9．(in Chinese))

［15］白靜，方紅衛(wèi)，何國(guó)建．非淹沒(méi)丁壩繞流的三維大渦模擬研究［J］．力學(xué)學(xué)報(bào)，2013，45(2):151-157．(BAI Jing，F(xiàn)ANG Hongwei，HE Guojian．Study of nonsubmerged groin turbulence flow in a shallow open channel by LES［J］．Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics，2013，45(2):151-157．(in Chinese))