淹没双丁坝间水流结构特性PIV试验

刘易庄，蒋昌波，2，邓 斌，2，王 刚

(1．长沙理工大学水利工程学院，湖南长沙 410004;2．水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南长沙 410004;3．中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230)

丁坝能够引导水流，防止河岸发生冲刷而淤高河滩，是一种广泛使用的航道整治建筑物。水流在绕过丁坝后，水流流场及压力场都发生显著变化［1］，在坝头附近形成“马蹄形”漩涡［2］以及一系列的尾流漩涡［3］，水流呈现较强的三维特性。许多学者［1，4-7］对单丁坝的来流特性、回流区特性、局部冲刷、冲刷坑内水流结构以及单丁坝周边的流速、雷诺应力分布及紊流特性等方面进行了深入研究。然而，在实际应用中，大多采用丁坝群进行航道整治，而双丁坝是最简单的丁坝群，可以将双丁坝视为研究丁坝群的单元，因此，研究双丁坝间水流特性对理解坝间泥沙输移和能量交换、选取合理的坝间距有着重要意义。徐晓东［8］采用声学多普勒流速仪(ADV)对双丁坝附近水流结构进行了研究，但ADV作为一种接触式单点测量技术，必然会对测点周边水流流场结构造成较大干扰。粒子图像测速(particle image velocimetry，PIV)是一种瞬态、多点、无接触式的流体测速技术，可提供丰富的流场空间结构，因此能较好地弥补ADV测量技术的不足。齐鄂荣等［8-9］采用PIV研究了二维突起物绕流结构，主要分析了漩涡结构运动及发展过程、流场结构的时均特点;张冠卿等［11-12］采用PIV研究了单丁坝坝后水流特征，对坝后时均流速及涡量场进行了分析;Weitbrecht［13］采用PIV研究了掺混区水流特性。

以往关于PIV对丁坝的研究一般都集中在单丁坝或丁坝群的流速分布、紊动特性及漩涡结构等方面，本文采用PIV对淹没双丁坝间水流流场进行测量，主要分析丁坝间距与丁坝长度的比值(d/B)对坝间平面回流区流速分布、零速度线以及涡量分布的影响。

1 试验方法

1．1 试验条件与试验装置

图1 水槽试验装置及PIV系统 (单位:m)

图2 丁坝示意图

试验在长沙理工大学水利实验中心的变坡水槽(试验中采用平坡)中进行，水槽长16 m，宽0.4 m，高0.5 m。水槽采用水泵供水，在水槽尾部设置调节水位的格栅尾门，试验装置见图1。丁坝采用透明有机玻璃制成，长 B=5 cm，高 h=18 cm，厚t=1 cm，如图2所示。流场测试采用美国TSI公司的PIV系统，其中光源为双脉冲激光，采用强激光(强度约为120mJ)以保证能均匀照亮所测流场，由同步器控制触发，采集频率为1.04 Hz;PIV系统通过CCD(2048×2048像素)记录图像数据并传输到INSIGHT3G软件进行分析，图像采集间隔为100μs。试验测量了3个不同相对水深(z/h=1/6、z/h=1/2、z/h=5/6，z轴以水槽底为零点，沿水槽壁往上为正)的水平面流场，测量区域大小为200 mm×200 mm，试验测量区域及坐标系如图1(a)所示。

1．2 试验工况

试验流量Q=57.6 m3/h，水深H=0.20 m，流速us=0.20 m/s，在3种不同坝间距d(d=0.075 m、d=0.15 m、d=∞(表示单个丁坝))的情况下分别测量z=0.03 m、z=0.09 m和z=0.15 m 3个水平面流场。试验过程中在水槽首部和尾部分别布置超声波水位计测量试验水深。

2 试验结果及分析

图3 不同相对水深水平面流场(d/B=3)

2．1 水平面流场

为探讨淹没双丁坝不同相对水深位置的水平面(xOy平面)流场情况，选取坝间距d=0.15 m(d/B=3)、相对水深 z/h=1/6、z/h=1/2、z/h=5/6 的 3 个平面(图3)进行流场分析。由于上游丁坝的阻挡，坝后形成相对静水区，坝头水流由于丁坝的束窄作用导致流速增大，水流绕过丁坝后向无丁坝一侧偏转，与坝间相对静水区形成剪切流，使坝间出现漩涡。从图3(a)可以看出在坝间近底区水流较平顺，形成了稳定规则的漩涡;随着相对水深的增大漩涡尺度变小(图3(b));近水面处坝间水流流速分布忽大忽小、忽左忽右，流态较为混乱，也几乎看不到漩涡 (图3(c))，这是由于水流受到坝顶的影响，离坝顶越近水流流态越不平稳，也越不易形成漩涡。由于在z/h=1/6处存在稳定规则的漩涡，为了更好地阐述双丁坝间回流区水流结构特性及涡量分布规律，选择z/h=1/6平面作为分析对象平面。

图4为z/h=1/6平面不同坝间距的水平面流场。坝头发生水流分离形成剪切流，使坝后形成漩涡。由图4可以看出，当d/B=1.5时，漩涡中心在坝头线之上，随d/B的增大，漩涡中心向坝头线移动，当d/B=∞时，漩涡中心几乎与坝头线齐平。这说明下游丁坝的存在限制了上游丁坝坝后漩涡的自由发展，而使得坝间漩涡受到下游丁坝的“挤压”，并有向丁坝外侧溢出的趋势;随着坝间距的增大，下游丁坝的“挤压”作用也越弱，因此漩涡中心向坝头线移动。

2．2 流速

图4 不同坝间距水平面流场(z/h=1/6)

图5为不同坝间距条件下双丁坝附近x方向流速分布云图(箭头线为主流区与回流区分界线，虚线椭圆区域为负流区)，可以看出由于上游丁坝的阻挡，水流立即向无丁坝侧偏转，在坝间形成回流。将过上游丁坝坝头的流线(箭头线)作为回流区的分界线［14］，当 d/B=1.5时，回流区最大宽度为1.6B;当d/B=1.5时，回流区最大宽度为1.8B;当d/B=∞时，回流区最大宽度为2B。这说明随着d/B的增大，回流区宽度也随之增大。此外，坝间回流区出现负向流速，当d/B=1.5时，仅在下游丁坝头出现明显负向流速，随着d/B的增大负流区向坝间移动，且负流区面积(虚线椭圆区域)和负向流速大小也随之增大。

图5 坝后x方向流速云图 (单位:m/s)

图6 坝后特征断面x方向流速分布

图6 为 x=0、0.84B、1.68B、2.46B、3.24B 处 x方向流速分布(根据坝间距d=0.15 m平均选取5个断面，竖线表示特征断面，圆点与竖线之间的距离表示流速大小，椭圆区为坝头逆流)。可以看出在下游坝头处出现明显逆流(椭圆圈内)，其最大负向流速分别为0.075 m/s(d/B=1.5)和0.068 m/s(d/B=3)，分别占主流流速us的37.5%和34.0%;这是由于下游丁坝仍处在上游丁坝的影响范围内，减小了上游丁坝坝后回流长度，为了维持坝间流体连续性［1］，因此坝头出现逆流;并且d/B越大其负向流速越小，这是由于距离越大，下游丁坝对上游丁坝坝后回流区影响越小。

坝间回流区内存在一条零速度线［4］，图7给出了不同坝间距情况下零速度线位置的沿程变化曲线。由图7可以看出，零速度线沿程变化可简化为线性变化，但其斜率各不相同，具体拟合公式如下:

由式(1)可以看出单丁坝坝后零速度线斜率为负，这与陈稚聪等［4］研究的结论一致;而双丁坝间零速度线斜率为正，且坝间距越大零速度线斜率越小。

图7 零速度线沿程变化

为了更加细化分析d/B对坝间回流区流速的分布影响，结合Weitbrecht［13］的研究方法分别选取x=0.25d、x=0.50d、x=0.75d 3 条测线 x方向流速进行分析，坝间特征断面流速分布如图8(图中横线表示坝头线，竖线表示特征断面，十字点和圆点与竖线之间的距离表示流速大小)所示。回流区流速沿着丁坝方向先增大后减小(图8)，且d/B越大，坝间流速也越大。当d/B=1.5时，最大流速点靠近坝头线区域，而当d/B=3时，最大流速点则靠近边壁(图5(b))。这是由于当d/B=1.5时下游丁坝头出现较强的回流，坝间漩涡较小，x=0.75d测线穿过的下游丁坝坝后回流流线靠近坝头，因此在靠近坝头线处出现较大负向流速;而当d/B=3时，坝间漩涡较大，x=0.75d测线穿过的下游丁坝坝后回流流线靠近边壁，因此在边壁处出现最大流速。

图8 坝间特征断面流速分布

在坝间回流区内，两种坝间距坝间流速相差不大，在靠近下游丁坝(x/d=0.75测线)才出现明显差异。但在掺混区，由图8可以看出，d/B越大，掺混区流速梯度越小，且进入主流区的位置离坝头线越远(d/B=1.5在y/H=0.375处进入主流区，而d/B=3在y/H=0.5附近进入主流区)。

2．3 涡量

涡动结构对丁坝附近冲淤以及掺混区的物质交换有着重要影响，因此有必要对双丁坝周边涡量结构进行分析。

垂直方向上涡量的计算公式［15］为

式中:ωz为垂向涡量;u、v分别为 x、y方向流速。

图9为z/h=1/6时不同坝间距的平面垂向涡量。由图9可见，水流绕过上游丁坝坝头后分离，产生涡量值较大(负向)而范围较小的漩涡，沿着水流方向涡量强度逐渐减小，漩涡呈“喇叭”式逐渐增大，漩涡范围增加到一定值后，漩涡便分散成许多小块。同时从图9还可以看出，d/B越大漩涡越早分散;特别当d/B=1.5时漩涡一直延续到下游丁坝坝后才分散，从而加速来流水体与坝间相对静水区的掺混。以往研究认为正涡量区只在贴近上下游丁坝壁、水槽壁以及坝间小回流区出现［15］，但此次研究发现由于下游丁坝坝头出现较大逆流，涡量在下游丁坝坝头附近出现较大范围的正涡量区且涡量值最大可达0.02s－1(d/B=1.5)和0.01s－1(d/B=3)。

3 结论

a．水流绕过上游丁坝坝头后边界层即发生分离，坝间形成明显回流区，d/B越大回流现象越明显，漩涡中心越靠近坝头线。

图9 坝后涡量云图 (单位:s－1)

b．坝间回流区宽度、负向流速区面积及负向流速大小随着坝间距的增大而增大。下游丁坝坝头均出现逆流，当 d/B=1.5时，负向流速最大可达0.075 m/s，占主流流速的37.5%;而在d/B=3时，最大负向流速为0.068 m/s，占主流流速的34%，说明d/B越大逆流流速越小，下游丁坝坝头附近水体交换强度越弱。

c．双丁坝间零速度线沿程基本呈线性关系，且其斜率为正并随d/B的增大而减小。此外，d/B越大坝间回流区最大流速点越靠近边壁，掺混区流速梯度越小。

d．上游丁坝坝头附近出现较大负涡量值，负涡量区沿水流方向呈“喇叭”式扩展，而下游丁坝坝头附近则出现较大正涡量值。

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