顺直微弯型分汊河道水流的紊动特性试验研究

顾 莉,华祖林,褚克坚,刘晓东

(1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,江苏南京 210098;2.河海大学环境学院,江苏南京 210098)

分汊型河道是天然河道中经常遇到的河道形态,如长江中下游、珠江广东段、赣江、湘江、松花江、黑龙江、美国密西西比河、非洲Niger河和Benue河等都经常遇到.一般分汊河道由顺直段、分汊段和再汇合段3部分组成.分汊河道中往往存在平面回流、断面环流、螺旋流、曲线剪切层和高紊动强度等许多复杂的水力现象,水流具有强烈的三维紊流特性,其水流流态的复杂多变,对河道泥沙运动、污染物质运移、河道整治、水工建筑物设计及排污口设计均会产生较大的影响.因此,对分汊河道水流紊动规律进行深入研究十分必要.前人对水流紊动特性的研究多集中在一般顺直或弯曲河道中,以及丁坝、引水口和射流等区域[1-7],针对分汊河道水流紊动特性的深入研究尚不多见.目前有关分汊河道的研究多为其河床演变规律、分流比计算方法、水沙运动特征等方面[9-10],并且针对分汊河道中的分汊口或交汇口的水动力特性研究也相对较多[11-13].本文针对典型的顺直微弯分汊河道,通过物理模型试验探究了在不同汊道宽度比和上游来流量条件下,分汊河道中沿程不同横断面的紊动强度变化过程,对表、中、底3层垂向不同深度的平面紊动强度分布进行比较分析,解析并探讨上游流量和汊道宽度比对汊道水流紊动的影响机制,可为掌握分汊流的紊动特征与机制提供基础性的积累.

1 试验系统与模型装置

试验安排在一个特制的水槽中进行,水槽全长25m,可进行±1°的变坡,水槽中间段特别做成放宽的矩形(4m×2.2m×0.6m),以便安装分汊河道模型,其余部分保持为宽0.5m、高0.6m的直槽.图1为试验模型及设备的平面布置示意图.试验测量段由主河道、支汊1和支汊2三部分组成,各个汊道的横断面均为矩形,主支汊的纵坡均为0.2%.

试验中,水槽流量由进口阀门、电磁流量计以及量水堰共同控制,平水头水箱处于一定高度以保证水头恒定.主河道宽度B0=0.5m,支汊1与支汊2的宽度分别为 B1和 B2,两汊总宽 B1+B2=0.7m,展宽率等于1.40,接近理论展宽率1.42[14].中心岛位置可以移动以改变支汊宽度比,定义支汊1宽度比B*=B1/(B1+B2),本文选取3个不同B*,分别为0.33,0.41,0.50.下游主河道水深H固定为14.9 cm,并选取2种不同的上游来流量Q,具体试验工况见表1.图2为试验断面量测布置图,试验中各横断面的垂线量测个数根据支汊1宽度比 B*而有所变化,每条垂线上设置7个测点.同时考虑本次试验量测工作量很大,对工况4～6只针对分汊前、中、后的典型断面进行量测用于对比分析,具体为断面B,L4,L7,L9,R4,R7,R9和C.

图1 试验模型平面布置示意图(单位:mm)Fig.1 Plan sketch of experimental model(units:mm)

表1 试验工况Table 1 Experimental conditions

图2 横断面位置(单位:mm)Fig.2 Locations of cross sections(units:mm)

试验采用美国SonTek公司进口的16MHz声学多普勒流速计M icro ADV测量水流的三维流速、紊动强度和雷诺应力等水动力参数.M icro ADV在每个测点以50Hz频率采样32s,每点共有1600个瞬时数据.紊动能k用工况1的主河道平均流速的平方进行无量纲化处理后记为k*,紊动能定义参照文献[15].

2 试验结果及分析

2.1 水流紊动能平面分布特征

图3 工况1平面紊动能分布Fig.3 Turbulent kinetic energy in three p lanes for condition 1

工况1(B*=0.50)的水平面紊动能分布特征见图3.由图3(a)可知中层的高紊动能分布在支汊前半段,这是由于水流在分汊口被分流,进入支汊后流线急剧弯曲,凹岸水流分离形成回流区,过流断面束窄后,在凸岸相应形成高流速区,回流区与高流速区之间的过渡地带流速梯度大,剪切作用显著,水流紊动也最为剧烈.随着水流下移,回流区消失,原有过渡地带的流速梯度沿程逐渐减小,紊动能也相应降低.水流经过支汊弯道顶点断面后,紊动能差异明显减小.水流运动到交汇断面,两股水流在岛屿尾尖后方区域挤压掺混,该区域脉动动能大于两侧岸边区域.分汊河道紊动能的平面分布在垂向存在差异,尤其在支汊前半段,高紊动区的强度与范围明显不同.由图3(b)和(c)可知,表层和底层的高紊动区的量值均小于中层,且中层与底层量值相差较大;垂向3层的高紊动区出现的位置由表层至底层呈现由断面中心逐渐偏向凹岸的趋势,底层的高紊动区基本贴着凹岸分布;垂向3层的高紊动区范围也有所变化,底层高紊动区范围最小,仅在两个支汊进口段存在,中层高紊动区范围最大,由进口段一直延续到支汊弯道顶点,表层高紊动区范围略小于中层.

图4为工况2和工况3的中层平面紊动能分布图.比较图3和图4可知,工况1的两支汊关于中心岛对称分布,两支汊的宽度相等(B*=0.50),支汊中的紊动能也基本呈对称分布.当B*从0.50减小到0.41时(工况2),左右支汊宽度不等,支汊2变为主汊,支汊1中高紊动区相比于支汊2其量值与范围均有所下降(图4(a)).当B*减小到0.33时(工况3),两支汊宽度的差距进一步加大,支汊2的宽度约为支汊1的2倍,支汊2的回流区尺寸与凸岸侧流速值进一步增加,引起高紊动区的范围扩大,向支汊出口段延伸;相反,支汊1中流速减缓,回流区尺寸缩小,高紊动区的量值与范围与支汊2相比都显著减小(图4(b)).可见,不同支汊宽度比对平面紊动能分布的影响主要体现在两支汊中的高紊动区的范围与量值随B*减小而差异增大.3个工况的平面紊动能分布在垂向的变化规律是相似的,高紊动区的强度和范围均以中层为最大,表层次之,底层最小.

图4 工况2和工况3的中层平面紊动能分布Fig.4 Turbu lent kinetic energy in m iddle plane for conditions 2 and 3

2.2 水流紊动能断面分布特征

图5 工况2断面紊动能分布Fig.5 Turbu lent kinetic energy at cross-sections for condition 2

选择工况2讨论分汊河道的断面紊动能分布特征,图5为工况2的断面紊动能等值线图.进入分汊前的断面B自水面向下紊动强度沿垂线逐步增加,在近壁处达到最大值,然后再逐渐减小,此分布特征与一般单一顺直河道断面相似[16].水流分流进入支汊后,流线弯曲,平面回流以及断面环流充分发展,沿程各个断面紊动强度分布特征将有所变化,呈现不同的分布规律:支汊1中,在断面L4中心线偏凹岸侧出现高紊动区,这是由于支汊凹岸的回流区与凸岸的高流速区之间巨大的流速梯度所致,与图4(a)平面高紊动区出现位置一致.支汊2中断面R4紊动强度分布规律与断面L4相似,也在凹岸侧形成一个紊动强度核心区,由于支汊2宽度大于支汊1,为主汊河道,其高流速区量值与回流区尺寸均大于支汊1,因而断面R4最大紊动强度大于断面L4.断面L4与R4高紊动区均为倾斜的长条椭圆形状,由表至底沿深度方向呈现出由凸岸倾向凹岸分布的规律,这是由于支汊进口段回流区尺寸由表至底沿深度方向逐渐减小,直至消失.

水流在支汊中流过进口段进入弯道顶部区域后,回流区消失,原有过渡地带流速坦化,梯度差异降低,并有向凸岸输移趋势,此时弯道顶点断面L7与R7的高紊动区范围变大,量值减小,与断面L4与R4相比降幅达50%左右,并向凸岸偏移(图5).随着水流继续前行,在支汊后半段断面流速趋向均匀,流速梯度减小,断面L9与R9的紊动强度分布已较为均匀,虽也有断面高紊动区,但是其量值与周边相差不大.与断面L7与R7相比,高紊动区量值下降略超50%.在交汇口附近两股水流相遇,水流前锋相互挤压摩擦,岛屿尾尖后方区域紊动剧烈,形成一个高紊动区,该区域宽度约为15 cm,由区域中心向两侧紊动能等值线量值迅速下降,降幅达到50%,该范围以外紊动能分布较为均匀.

2.3 流量对紊动特性的影响

当上游来流量增大时,紊动能的断面分布特征基本相似,但是量值显著提高.图6为工况2与工况5的断面L4,R4和C的垂向平均紊动能分布图,由图6可知断面L4和R4的紊动能在横向的分布特征基本相似,大、小流量工况下在凸岸紊动能相差不大,随着向凹岸推移大流量工况紊动能增加显著,约为小流量工况下紊动能的2～3倍.在交汇断面C大流量工况下紊动能的横向分布特征与小流量基本一致,但量值约为小流量工况的2倍左右,紊动最为剧烈的点仍为岛屿尾尖后方点.

图6 不同流量下垂向平均紊动能分布Fig.6 Dep th-averaged turbulent kinetic energy under different upstream flow rates

2.4 支汊宽度比对紊动特性的影响

a.在交汇口附近两汊水流相互冲击,紊动强烈,在交汇断面C会形成一个紊动强度较大的区域,该区域位置与汊道宽度密切相关,图7为不同支汊宽度比下交汇断面C的紊动能分布图及垂向平均分布图.由图7可知,工况1～3交汇断面的高紊动核心区基本位于各自中心岛的尾尖后方区域,由于工况3的左右两汊宽度相差较大,支汊1入汇角度较大,水流切入支汊2较深,所以工况3的高紊动区位置略微偏向支汊2一侧.此外,由于工况1～3的支汊2宽度不断增加,逐渐变为主汊,其断面流速也呈递增趋势,相反支汊1流速不断减小,因此断面C高核心区以外范围内的紊动能呈现以下规律:当支汊宽度比B*由0.50变化到0.33时,断面C中左侧对应支汊1部分的紊动能随B*减小而减小,而右侧对应支汊2部分紊动能随B*减小而增大(图7(d)).

b.不同支汊宽度比对支汊进口段断面也有一定影响.图8为不同支汊宽度比下支汊2进口段断面R4的紊动能分布图及垂向平均分布图.由图8可知,不同支汊宽度比时,断面R4的紊动强度分布规律相似,均在凹岸侧存在紊动强度较大区域,但是由于支汊2宽度随B*减小而增加,所以高紊动区离凸岸(中心岛一侧)的距离增大,且高紊动区范围也有所扩大.

图7 不同支汊宽度比下交汇断面C的紊动能分布及垂向平均分布Fig.7 Turbulent kinetic energy at section C under different width ratios of tw o anabranches

图8 不同支汊宽度比下断面R4的紊动能分布及垂向平均分布Fig.8 Turbulent kinetic energy at section R4 under different width ratios of tw o anabranches

3 结 论

a.对于分汊河道,高紊动区在平面上处于支汊进口段的回流区与高流速区之间的过渡地带.不同支汊宽度比工况下,平面紊动能分布在垂向的变化规律相似,高紊动区的范围与量值由表至底均呈现先增大后减小的规律,高紊动区位置沿垂向也均有向凹岸偏移的趋势,垂向3层之中,表层与中层的分布特征较为接近,底层的差异最大.随着支汊由对称变为不对称分布,支汊2宽度逐渐增大,其高紊动区的范围与量值也相应变大,相反,支汊1的高紊动区量值与范围则在逐步缩小,两支汊的差距进一步加大.

b.横断面紊动强度在分汊前、中、后各有不同,进入分汊前的断面B紊动强度由表至底逐渐增大,在近底处达到最大;支汊进口段断面凹岸侧紊动强度大,并且由表至底呈现为由凸岸倾向凹岸,与回流区尺寸沿深减小的变化规律相符;由弯道顶部至出口段断面,紊动能分布逐渐趋向均匀;交汇断面C对应岛屿尾尖区域紊动剧烈,其余两侧区域紊动能相对比较均匀.

c.上游来流量的增加对断面紊动能分布规律影响较小,紊动能等值线形状相似,只是断面紊动能量值显著增加.

d.汇合后断面高紊动区位置随支汊宽度比B*减小而左移,其位置基本位于各个工况下岛屿尾尖后方区域;在不同支汊宽度比下,支汊进口断面R4的紊动能分布规律基本相似,只是其高紊动区离凸岸距离随支汊宽度增加而增大.

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