防浪林不同林木布置模式对河道水流结构的影响

王远明， 韩 宇， 杨学春， 王立海， 刘晓东， 苏安双

(1. 东北林业大学 工程技术学院， 黑龙江 哈尔滨150040； 2. 黑龙江省三江工程建设管理局， 黑龙江 哈尔滨 150040； 3. 中国农业大学 水利与土木工程学院， 北京 100083； 4. 合肥学院 经济与管理学院， 安徽 合肥 230601； 5. 黑龙江省水利科学研究院， 黑龙江 哈尔滨 100050)

防浪林护岸工程是指种植于堤防迎水侧，用于保护堤岸免受水流风浪侵袭和冲刷的一种林木生态护岸工程.防浪林是通过林木结构自身改变流场特性，增大风浪能量的耗散，从而减小风浪对堤岸以及建筑的冲刷程度.相较于其他堤岸保护工程，防浪林具有成本低、消波效果显著、改善生态等优势，因此在我国得到广泛应用.文献[1]研究了防浪林种植宽度对消浪效果的影响，精细模拟了防浪林带宽度不同时海浪对海堤的冲击以及爬坡高度情况，深入分析了破碎波条件下防浪林宽度对消浪护堤效果的影响.文献[2]研究了对防浪林消浪的影响因素，结果表明：当种植树木数量相同时，等边三角形排列方式的消浪效果最好；在不影响行洪的前提下，防浪林宽度越大，株距越小，消浪作用越强；刚性植被要比柔性植被消浪效果好.文献[3]研究了不同林相结构对风浪消能效果的影响，发现风浪涨速不快、但风浪较大时应采用单一植被形式，反之则需要采用复合植被形式.

由于实际工程中防浪林规模非常大，很难进行直接测量.文献[4]研究了刚性植被在淹没和非淹没两种条件下的流速分布情况，结果表明：矩形断面非淹没刚性植被被水冲刷时均为纵向流速，呈“J”形分布，淹没刚性植被工况下则呈“S”形分布，在淹没植被的顶端流速出现明显转折点；由于植被的存在，导致水流紊动增强，能量传递加剧，因此植被的存在会对流场产生均化作用.文献[5]研究了滩地种树密度、排列方式对水流的影响，采用对滩地种树前后滩槽交界区域的流速场进行测量，分析滩槽交界区域的垂线流速、紊动强度和雷诺应力的变化.除试验方法外，数值模拟也被广泛应用于防浪林研究.文献[6]把植被群落概化为多根圆柱以同心圆形式排列，通过直接数值模拟(DNS)，研究了具有不同固体体积分数的二维植被群落对水流特性的影响.文献[7]通过数值模拟，发现不同植被形态对流场的扰动作用存在较大差异，在控制来流条件相同的情况下，对流场的扰动作用由大至小依次为直立态植被、倾斜态植被和卧倒态植被.

笔者基于试验测量和数值模拟相结合的方法，对明渠中不同布置形式的刚性植被对水流阻力特性的影响规律进行研究，以期为防浪林护岸工程建设提供理论依据.

1 数学模型

1.1 基本运动方程

湍流是每个流体微团在宏观空间尺度上和在时间上作随机运动的流动[8]，一般采用时均法进行处理，计算公式如下：

(1)

(2)

由于水的压缩性很小，可视为不可压缩流体.对于二维平面，定义如下：

湍流时均连续性方程定义为

(3)

湍流脉动连续性方程定义为

(4)

对N-S方程进行时间平均，得到不可压缩牛顿流体湍流时均运动方程，即雷诺方程定义为

(5)

式中：μ为分子黏度.

1.2 湍流模型

尺度自适应模型(SAS)是在湍流模型的基础上引入冯卡门特征尺度[9]，使得模型可以自动调整源项，以求得可解结构.其机理是在接近平衡的湍流区域采用雷诺平均模型，在非平衡湍流区采用大涡数值模拟，是一种混合RANS/LES方法.其数学模型简述如下.

该模型对于雷诺应力项的处理采用涡黏性封闭模式，定义为

(6)

(7)

(8)

式中：Gk为由平均流速梯度产生的湍动能；cμ=0.09；Prk和Prω分别为相对于k和ω的湍流普朗特数；α、β、F1和Prω2是由文献[10]给定的SSTk-ω模型的系数.

SAS模型与SSTk-ω模型区别在于SAS模型中多了附加项QSAS，该附加项与冯卡门长度尺度LVK有关：

(9)

.

(10)

基于冯卡门长度尺度LVK，SAS模型可以求解不稳定区域中类似LES的湍流问题，也能用RANS方程对稳定流动区域进行湍流建模，它被广泛应用于边界层分离现象的研究中.

2 物理模型

2.1 数值模拟模型

基于文献[11]开展的有限圆形群落试验，本研究中使用Fluent数值模拟软件对防浪林进行数值模拟，将模拟结果与试验数据进行对比分析.为了能够真实的反映整个防浪林内部的水流特性，数值计算模型的几何形状、尺寸、所采用的植被尺寸、水深、流速与物理模型试验完全相同.由于本研究中主要关注的是防浪林布置形式对于流场的影响，不考虑自由水面的影响，将水与空气的交界面设置为对称面，进口采用速度进口，出口为压力出口，壁面以及植被设为wall.选择防浪林的高度与水深相同，计算时采用单相流.模型的建立源自于试验模型.

网格通常分为结构网格和非结构网格.结构网格是一种传统的网格形式，节点排列有序，适于流体和表面应力集中等方面的计算，具有网格生成速度快、网格质量高、数据结构简单、与实际模型更容易接近等优点，适用于形状规则的图形.非结构化网格的节点是以一种不规则方式布置在流场中，虽然生成过程比较复杂，但有极强适应性，对复杂边界的流场计算问题有很好效果.考虑到本研究中几何模型的边界存在不规则的几何形状，渠道中存在大量直径较小的植被，而渠道整体尺寸相对很大，因此采用非结构化网格对流体域进行划分.图1为平行防浪林整体网格图.由于植被附近水流存在较大流速梯度，因此需要对植被附近流体域的网格进行加密，以获得更高的数值模拟计算精度.植被附近局部加密网格如图2所示.

数值计算模型采用沿水深方向上的非稳态单相流，考虑到耦合式求解所需要的内存过大，因此采用分离式求解器进行求解.在重力环境下进行计算，重力加速度为9.8 m·s-2.流体自由水面采用对称面进行处理，紊流模型采用标准SAS湍流模型，由于近壁区对整个流体域有较大影响，因此近壁区采用壁面函数法进行处理.数值模型边界条件设置如下：水流入口采用速度入口，具体速度值根据流量计算得到，出口处设定为压力出口，静压力设为0，自由水面设置为对称面.各边界条件的紊流参数均按照经验公式给定，湍动能k=0.022 m2·s-2，耗散率ω=0.007 9 m2·s-2，由于渠道和防浪林均为亚克力板构成，边壁均较为光滑，故wall的当量粗糙度采用0.005 mm.动量、紊动能和紊动能耗散速率的离散均采用二阶迎风格式.残差设为1×10-6，时间步长0.001 s，总步数设为6×104步，每个时间步长内的最大迭代计算次数为20次.

2.2 试验模型

主体试验水槽长×宽×高=6.30 m×0.80 m×0.60 m.图3为渠道主视图.在距渠道进水口0.50 m位置处布置长×宽×高=5.30 m×0.80 m×0.01 m的硬塑料底板，底板上孔采用梅花状布置，其横向间距和纵向间距均为0.06 m.试验中，采用直径为0.005 m、长为0.300 m亚克力棒，模拟刚性植被.图4为渠道植被的整体布置形式.图5为渠道植被间距尺寸.植被采用斑块状布置形式，根据试验需要，可以选择几排横向植被作为一个斑块带进行研究，斑块带之间的间距也可以做适当调整.

图3 渠道主视图

图4 渠道植被的整体布置形式

图5 渠道植被间距尺寸

用ADV流速仪测出每个斑块后的流速分布.为了能够更为直观地表示植被对水流的阻力大小，根据该试验目的设计了一套植被阻力的测量装置.选取一个斑块植被作为试验样本，在一块长×宽×高=0.50 m×0.75 m×0.05 m的亚克力板上，用与底板相同的方式进行打孔.将斑块植被的一端固定在悬空的亚克力板上，将两条光滑轨道(摩擦系数为0.005)顺着水流方向布置在水槽上方，将导轨下游端固定，上游端固定在升降台上.通过调整升降台，将滑轨上游端稍稍抬起，以平衡滑块与滑轨的摩擦力.用丝杆将亚克力板4个角连接在滑块上，通过调节丝杆高度，使植被的另一段稍微脱离底板.选用艾德堡测力计(量程5.00 N，精度0.05 N)，将测力计，另一端挂钩固定在亚克力板上，试验过程中测力计的读数可以通过数据线传输到电脑上.利用该设备可以直接测量出植被对水流的阻力大小.

试验待测参数主要包括流量、渠道底坡、水深及流速.在渠道进水口处安装有稳流蜂巢，起到稳水的效果.在渠道出水处设有尾门，通过调节尾门，可以获得试验所需理想水深.整个试验运行的流量由电磁流量计控制，通过阀门开度和运行频率的有效结合，可以得到试验所需流量，运行工况流量范围为0.019 4～0.472 0 m3·s-1.利用水准仪测量渠道底坡的坡度.渠道水深由测压管读出，从入水口到出水口的边壁上每隔1 m设置一个测压管.通过ADV测量渠道中所有测点的流速，每个测点位置均进行了标记，将ADV安放在渠道上面可以纵横双向移动的导轨上，ADV的采样频率为25 Hz，量程为0.5 m，每个测点采样时间为3 min，测量的瞬时流速数据可以直接传输到电脑上.渠道试验实景如图6所示.

图6 渠道整体试验实景

3 结果与分析

3.1 明渠中防浪林的流速分布特性

流速分布是防浪林水流中非常重要的水流特征.考虑到试验条件的影响，每个试验工况只测量一排防浪林后的流速分布情况，因此通过数值模拟进一步分析整个防浪林内部的流速分布.模型参数如下：渠道长为6.300 m，宽为0.800 m，深为0.128 m，流量为100 m3·h-1，入口平均流速为0.273 m·s-1，每排防浪林间距为0.300 m.计算模型尺寸与实际物理模型相同.数值模拟采用非结构化网格.

为了进一步验证数值模拟准确性，将防浪林后垂向流速的试验测量值与数值模拟的结果进行对比.在验证数值模拟结果准确性的基础上，采用数值模拟的方法研究不同的防浪林布置形式对阻力的影响.图7为植被后垂向流速分布试验值与模拟结果对比.图7中x方向为水流方向，y方向为水深方向，D为植被直径，u0为入口平均速度，u为测点平均速度，h为水深.由图7可知，数值模拟结果与试验结果可以较好地吻合，验证了数值模拟的准确性.

图7 植被后垂向流速分布试验值与模拟结果的对比

图8为阻力F与流量Q关系图.由图8可知：随着流量增加，渠道中流速也随之增加；植被后涡带越大，植被阻力测量装置所测量的阻力越大.因此可以得到植被后涡旋结构与其对水流造成的阻力存在密切的联系.

图8 阻力与流量关系图

3.2 两种植被布置形式下植被后流速涡带的对比

明渠中防浪林后的涡带是植被对水流影响产生的非常重要的水流特性，流速是影响涡带形态的重要因素.本研究中，在明渠截面面积一定的情况下，设定不同流量，以获得不同流速.因此，本研究中，主要研究不同流量下防浪林后涡带的发展规律，除紧贴植被带处明显的涡旋结构外，植被后较长一段距离中还会存在明显的卡门涡街.卡门涡街结构十分复杂，且随时间推进，涡带形态也会发生相应变化.对流量分别为0.025 0、0.028 0、0.030 5和0.033 0 m3·s-1时植被后流速分布情况进行了数值研究.图9为不同流量下交错布置防浪林植被后垂向流速分布模拟结果.

图9 交错布置防浪林植被后垂向流速分布模拟结果

当防浪林交错布置时，可以发现随着来流流量增加，植被后涡旋结构不断增大，同时发现每排防浪林后的涡带十分相似，并且涡带能够充分发展，每个植被后的涡带并不存在相互影响.根据植被对水流阻力与植被后涡带的影响关系分析，该种布置形式下，植被能够对水流产生较大阻力，也就意味着能够消耗掉更多水流能量，从而起到较好的防浪效果.当防浪林平行布置时，由于防浪林的相互影响导致上游植被涡带发展受到影响.图10为不同流量下平行布置防浪林植被后垂向流速分布模拟结果.

图10 平行布置防浪林植被后垂向流速分布模拟结果

由图9、10可知，平行布置防浪林的植被后涡旋结构形式与交错布置相比存在明显差别.由于防浪林平行布置将导致上游植被产生的涡带受到下游植被的影响，且不能充分发展.随着水流流速增加，这种影响越来越明显.根据植被阻力与植被后涡旋结构的关系可以发现，平行布置形式对水流的阻力比交错布置形式小，说明平行植被布置形式的防浪效果较差.

4 结 论

1) 搭建了明渠试验台，利用ADV获得了植被后的涡带特征，通过设定不同的来流条件，发现植被后涡带越大，对应的阻力越大，同时获得了明渠入口流量与植被斑块所受阻力的定量关系.

2)基于数值模拟的方法，对平行布置形式与交错布置形式进行模拟.对比研究发现，在植被密度相同的情况下，相比于平行布置，植被交错布置能够对水流产生更大阻力，通过数值模拟与试验相结合的方法验证了结论的正确性.防浪林采用交错布置形式能够对风浪产生更大阻力，消耗更多的水流能量，具有更好的防浪效果.