基于流动被动控制的仿生丁坝结构分析

2019-06-29李东风张向前李泽挺

浙江水利水电学院学报 2019年3期

徐鹏，陈阳，谢锋，李东风，张向前，舒展，李泽挺

(浙江水利水电学院水利与环境工程学院，浙江杭州 310018)

丁坝是一端依托河岸，另一端伸入河中的一种长条形水工建筑物，一般由坝头、坝身和坝根三个部分组成。当水流在流经弯道时，由于重力和离心力的共同作用，会形成横向环流，加剧泥沙在凹岸的运输，使得凹岸被不断冲刷。丁坝的作用就是保护堤岸，减轻水流对凹岸的冲刷，通过坝身将本该流向堤岸的水流导离坝头，降低岸边的流速，产生坝田淤积，达到保护堤岸的目的。

丁坝改变了弯道内的横向水流，使其一部分形成主流，另一部分形成回流，打破了弯道内产生的横向环流[1]。在河道中修建丁坝还会使得丁坝周围的水流结构发生变化，坝头处漩涡的产生、分离和衰减，都会使得丁坝附近的水流呈现强烈的三维紊动，坝头处产生的漩涡还会周期性的脱离坝头，引起结构的疲劳损伤[2]。李子龙[3]通过三维数值模拟对非淹没式丁坝进行了研究，得出丁坝坝根处的冲刷是造成丁坝水毁的主要原因。

传统丁坝坝体结构简单，消能效果差[4]，本文基于对非淹没式丁坝头部流动特征的分析，根据流动被动控制理论引入一种新型的丁坝，在丁坝前端增加仿生式涡流发生器，涡流发生器尾部诱导的旋涡增强了边界层内水流的能量[5],促使边界层内的水流拥有足够的能量继续附着在丁坝表面，从而减少周期性旋涡的产生。

1 丁坝坝头冲刷机理分析

根据勾兆莉[6]等人对丁坝坝头冲刷机理的分析，丁坝在修建后，将会引起坝头附近单宽流量集中，导致该处水流冲刷力的加强。水流绕流经过坝头会使流速重新分布，是导致坝头急剧冲刷的另一个重要原因。这些原因互相联系，构成了坝头冲刷的复杂性。试验发现，水流在丁坝坝头上游受阻后，使坝头出现水流下降的趋势，形成紧贴坝头的下沉水流，加强了水流的冲刷能力。从坝头冲刷机理分析可知，坝头的水流结构以及下沉水流等决定着坝头的冲刷深度，研究合理的坝头型式，使冲刷深度和范围减至最小，具有重要的工程意义。

根据分析和试验研究，当改变坝头几何体型时，确实存在各种冲坑形状，这些形状不同的冲坑可分为两种情况，冲坑Ⅰ为近深远浅型，冲坑Ⅱ为近浅远深型[7]。根据边界层分离理论，水流无法克服丁坝表面的粘滞阻力继续前进被迫离开坝头表面进入主流。下游液体填补边界层空出的区域，形成漩涡，进而对丁坝坝头位置形成冲刷，形成冲坑Ⅰ，水流克服大部分粘滞阻力，延后产生分离，形成冲坑Ⅱ。当冲刷稳定时，第一种冲坑情况比第二种冲坑情况更加不利(见图1)。坝头不同的几何形体直接决定着坝头大尺度涡的生成和发展运动规律。以往文献中也曾多次提到坝头水流结构的强烈程度，直接影响到冲刷坑的形状、大小和冲刷深度。

图1 坝头冲坑形态

2 丁坝消涡结构原理分析

2.1 被动流动控制

被动控制是没有消耗辅助能量的一种流动控制方式。这种控制技术通过改变流动边界条件、压强梯度等达到控制流动的目的，主要采用调节优化几何型面来实现，如在物体表面使用固体涡旋发生器、在分离点上游物体表面加工一系列横向或纵向沟槽、在物体表面布置粗糙单元等方法来减少或抑制流动分离。

2.2 应用于丁坝的仿生消涡装置

仿生学一直以来都是各个领域的前沿技术，在流动被动控制方面也早有应用，例如赵汝云[8]运用鱼鳞片形态，在机翼表面施加仿鱼鳞排列的结构(见图2)，试验研究了鳞片形态对阻力的影响。试验结果显示在巡航状态迎角3°～4°下它们都有程度不同的减少阻力和增加升阻比的效果。其中以3号机翼最突出，减阻和升阻比的增加量都在30%左右(见表1)。特别是在大迎角(12°)时，基本翼型已分离，仿鳞片翼面仍有较好效果，显示了仿鱼鳞面有较好的控制分离能力。

图2 仿鱼鳞表面的机翼

表1 仿鱼鳞机翼减阻效果

鲨鱼皮肤上覆盖着成千上万的小鳞片或小齿，这些鳞状物随鲨鱼身体位置的不同，形状和大小也不同，具有非常优异的流动力学性能。然而，目前大多数研究集中在鳞状物的减阻性能上，对于水利工程领域应用很少。丁坝是河道整治中常用的护岸建筑物，但是目前丁坝坝头损毁和冲刷坑的危害一直尚待解决，如何降低坝头冲刷危害就成了目前水利工程领域的一个研究方向。基于这方面需求结合仿生学与流动控制理论，分析一种新型丁坝结构。

所取鲨鱼鳞片为3尖3嵴型(3-points and 3-keels pattern), 图3所示为低阻性鲨鱼皮单个鳞片结构及其排列模型。其显著特征是:①鳞片呈盾状(又称盾鳞),其鳞棘具有锋利尖顶和圆弧底沟槽。②鳞棘的中心脊高度一般低于30 μm,沟槽宽度<100 μm。③盾鳞顺流向呈覆瓦状排列,相邻鳞片间存在波浪形不规则夹缝。[9-10]

图3 鲨鱼皮鳞片结构及其排列模型

实验效果通过软件分析仿生鲨鱼鳞片消涡模型在坝头位置处改变水流的流动情况。软件模型计算设置五级网格，在坝头位置网格设置尺寸为0.2，河宽设置为210 m，坝前水流长度为240 m，坝后水流为260 m，分析结果(见图4)。

图4 普通丁坝(左)和增加仿生消涡装置模型丁坝(右)坝头水流情况

图4可以看到增加仿生消涡装置的丁坝在坝头处的最高流速与普通丁坝坝头处的水流流速相对比有明显的降低，另外对于坝头冲刷效果根据GB 50286—2013《堤防工程设计规范》里面对于非淹没丁坝冲刷深度的计算方法按下列公式计算：

(1)

(2)

k3=e-0.07m

(3)

(4)

(5)

式中：hs—冲刷深度；Um—坝头最大流速；

U—行进流速；LD—丁坝的有效长度；

B—河宽；Uc—泥沙起动流速；

d50—床沙的中值粒径；H0—行进水流水深；

γs—泥沙的容重；γ—水的容重；

m—丁坝坝头坡率；

k1、k2、k3—丁坝与水流方向的交角θ、守护段的平面形态及丁坝坝头的坡比对冲刷深度影响的修正系数。位于弯曲河段凹岸的单丁坝，k2=1.34;位于过渡段或顺直段的单丁坝，k2=1.00。

河流泥沙粒径采用杨迎晓[11]等人的研究成果取中值粒径为0.037 mm，通过数值模拟试验对比分析，得到在不同时间段下传统非潜水丁坝和添加仿生装置的非潜水丁坝的数据(见表2)。

表2 非潜水丁坝对比试验数据记录

在丁坝坝头增加预制仿生消涡装置，水流流过仿生消涡装置后产生类似翼尖涡的效果，这种高能量的翼尖涡与其下游的低能量边界层流动混合后，就把能量传递给了边界层，使处于逆压梯度中的边界层流场获得附加能量后能够继续贴附在坝头表面而不致分离，从而降低边界层分离对坝头冲刷的影响。通过数据可以看出将仿生消涡装置应用在丁坝表面，具有很好的防冲刷效果。