丁坝挑角对周围流场影响的三维数值模拟研究

2021-12-13胡志毅

工程技术研究 2021年18期

胡志毅

西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西咸阳 712100

丁坝是河道整治中常见的水工建筑物，可以有效地改变河道的水流结构，对于岸坡防护、水运通航以及提高水生物栖息环境都发挥了积极的作用。但是，坝头处的冲刷也会对丁坝的稳定性产生较大影响。根据丁坝与来流方向交角的不同，可分为上挑型、正挑型和下挑型，而丁坝挑角的不同，对丁坝绕流、坝头冲刷均会产生不同的影响。

20世纪以来，许多学者对坝后回流区展开了相关研究，前期主要是以室内试验为主，而随着近年来计算机科学的发展，数值模拟成为一种新的研究手段。周宜林等[1-2]通过大涡模拟中的SM模型分别模拟了不同挑角下3种非淹没丁坝附近的水流特性，结果表明上挑丁坝附近流态变化最大；下挑丁坝下游所产生平面涡及断面逆向流相对更长，更有利于丁坝坝头和河岸的保护。在实际工程中，从安全和经济方面考虑，应当将丁坝群设置于坝后回流区流速较小处。吴伊平等[3]通过三维数值模拟，深入对比研究了丁坝挑角及长度对坝后回流区流动特性的影响，并对模型试验结果进行了验证。

1 计算流体动力学前处理

1.1 控制方程

研究所涉及的主要控制方程为连续性方程及动量方程，选取RNGk-ε湍流模型，并采用SIMPLEC算法对其进行求解。

1.2 计算域建立及网格划分

采用Zhang等[4]在京都大学开展的模型试验作为算例，水槽试验段长4.0m、宽0.4m、高0.4m，坡度为0.001，糙率为0.009，共划分为定床—动床—定床3个区域，如图1所示。其中，动床段长1.7m，起始端位于试验段下游0.5m处，水槽底部铺设厚度为0.2m的人工沙。丁坝位于水槽右侧，长0.1m、宽0.01m、高0.28m，属于非淹没丁坝。为了保证水流的充分发展，上游进口端距离丁坝2m，试验平均水深0.05m，行进流速为0.29m/s。

图1 计算域布置图（单位：m）

3种模型的计算域均采用混合网格进行划分，其中定床部分采用结构网格，动床区域采用非结构网格，并在丁坝附近进行网格加密，90°丁坝计算域的总网格数为123万个，60°和120°丁坝计算域总网格数均为150万个。

1.3 边界条件设置

（1）进口边界。水流进口处设置为速度进口，初始流速为0.29m/s，水深0.05m；根据以下公式

确定湍动能k=3.1×10-4，ε=2.6×10-4。空气进口以及计算域顶部设置为压力进口。

（2）出口边界。出口定义为压力出口，由于模拟案例属于河道明渠流，因此在VOF模型下需要打开“Open Channel”选项，并在压力出口设置面板中设置出口处的水面高程和基底高程。

（3）壁面边界。河道两侧、底部及坝面均设置为无滑移壁面，并采用标准壁面函数，以求解近壁区的水流流动。

2 模拟结果

2.1 流速场分布

根据各挑角下的丁坝附近流场的数值模拟结果，分别选取近底面z=0.001m、中截面z=0.0025m以及自由水面z=0.05m 3个断面处的速度分布云图以及流线图进行比较分析，如图2～图4所示。

图2 60°挑角速度分布云图

图3 90°挑角速度分布云图

图4 120°挑角速度分布云图

由速度分布云图可以看出，当水流行近至丁坝前侧，部分水流由于丁坝的阻水作用，形成坝前滞留区，流速也相对较小。在120°挑角下，由于滞留区内的水流流动受到丁坝的限制，无法向下游发展，因此形成了小范围的坝前回流区。靠近丁坝对岸的主流区水流流向几乎不受丁坝影响，沿原方向继续向下游发展，但由于过流面积减小，主流收缩导致流速明显增大；靠近坝头处的水流则形成绕流，由于惯性作用，主流宽度继续收缩，随着主流的逐渐扩散，主流与丁坝正后方的静压区的剪切层作用，形成坝后回流区。由流线图可以看出，回流区内的水流回流至坝后时，由于丁坝的阻挡，在坝后形成了小规模、逆时针漩涡。由于60°挑角丁坝沿水流方向投影长度最大，因此该漩涡的规模相比90°、120°挑角更大。

同时，在同一挑角下，近底面的平均流速明显小于其他断面，这是由于z=0.001m断面处于黏性底层内，且壁面属于紊流粗糙面，因此该区域水流受壁面摩擦阻力以及黏性阻力的影响较大，故速度较小。随着水深的减小，水流进入紊流核心区，水流流速在垂直方向呈对数分布规律，平均流速逐渐增大。

此外，不同挑角下相同水深处的速度分布规律基本一致，其中60°、90°以及120°挑角对应的流速最大值分别为0.497m/s、0.523m/s和0.512m/s，最大流速与挑角呈先增大后减小的关系。60°、90°及120°挑角对应的回流区长度分别为1.14m、1.11m和1.13m；最大回流宽度分别为0.157m、0.16m和0.158m。由此可见，挑角对于坝后回流区范围几乎没有影响。