丁坝水流特性影响的研究现状及展望
摘要：我国幅员辽阔, 江河湖海众多, 为我们提供了丰富的水资源和通航之利的同时, 也需进行治理。在治河工程中, 丁坝是应用广泛的水利工程护岸建筑物之一。本文从理论与试验研究、数值模拟方面简要的介绍了近年来国内外对丁坝水流特性影响的研究进展, 并提出了未来丁坝研究的大致发展趋势。
关键词：丁坝; 试验研究; 数值模拟; 水流特性;
作者简介： 兰斌 (1996-) , 男, 福建龙岩人, 硕士研究生, 研究方向为水力学及河流动力学方向。;
收稿日期：2019-6-10
基金： 国家自然科学基金项目 (11761005);
Received： 2019-6-10
丁坝是水利工程中广泛使用的护岸建筑物, 也是重要的河道航道整治建筑物, 丁坝可以保护堤岸免于冲蚀, 维持航道水深。因此, 丁坝水流特性影响的研究也成为了水利课题中非常重要的方向。丁坝的存在使得丁坝附近水流结构改变, 在丁坝下游形成回流区。对于不同的水流流动类型, 丁坝的水流结构也各不相同。关于丁坝水流特性的研究, 目前学者大多从试验研究和数值模拟两方面进行。随着计算机技术的进步以及流体力学学科的不断发展, 人们对丁坝的研究不断深入, 无论从试验仪器还是模拟软件也不断的更新换代。为丁坝的理论研究和工程应用提供了参考。
1 理论与物理模型试验研究方面
通过建立概化的物理模型进行试验是工程研究中最常见的方法, 试验取得的数据也比较可靠, 理论研究以及数值模拟同样离不开试验的数据。通过物理模型试验对丁坝水流特性的研究国内外学者主要从丁坝附近水流流态、丁坝回流区、丁坝附近的冲淤研究和紊动特性这几个方面来展开。
1.1 丁坝附近水流流态
Windel[1] (1928) 通过水槽试验研究了不透水单丁坝对流场造成的影响, 并提出了有效影响长度的概念。Ahmed[2]于1953年进行了世界上第一个关于丁坝绕流的试验并且成功记录了丁坝附近水面线的变化。刘易庄, 蒋昌波等[3]采用粒子图像测速 (PIV) 系统测量了双丁坝之间的水面流场分布, 通过改变双丁坝坝间距和坝长的比值研究了坝间水流特性, 得出了双丁坝之间回流区宽度同d/B的比值成正比。顾杰[4]采用超声波水位和PIV流速测量技术在U形水槽中试验对丁坝影响下弯道水面线进行了研究分析, 结果表明丁坝改变弯道凹岸弯顶附近纵向水面线形态, 减小弯道内的沿程横比降, 削弱弯道内的横向环流。李冰冻等[5]采用LDV和测压管进行了丁坝绕流水槽试验;试验结果表明, 丁坝布设的上下游部分区域水流受到的影响最显着。主要表现为丁坝附近区域水位纵向呈现先下降后升高直到恢复的过程。
1.2 丁坝坝后回流区研究
丁坝坝后回流区是相对封闭的, 因此在航道中回流区往往是泥沙淤积的高发地, 因此对于坝后回流区的研究具有十分重要的理论意义和工程价值。韩晗[6]通过室内大型水槽进行模型试验, 模拟了在连续丁坝区水流的回流区形态并进行了分析, 通过模拟对较大长度丁坝的回流区进行了分区, 分成了主流区、回流正区和回流负区;得出坝后的回流流量最大可达主流流量的一半的结论。黑鹏飞[7]利用3D-PDA对丁坝下游三维流速进行了测量, 将坝后回流区进行分区并明确给出了分界线, 根据分区计算了各流区的紊动强度。曹艳敏[8]利用ADV对已形成冲刷坑的丁坝流场进行三维测量, 得出冲刷坑的存在对坝后回流区水流和湍动能分布影响显着。
1.3 丁坝附近冲刷与淤积
丁坝附近局部冲刷问题是一个公认的难题, 目前对于丁坝附近的冲淤问题一般采用公式法和物理试验或数值模型试验。蔡荣[9]通过定床试验和冲刷试验, 研究了丁坝冲刷机理和形成过程, 并根据研究结论提出了冲刷坑公式。谭天琪[10]研究了双丁坝回流区各流区的冲淤情况。杜飞[11]对山区河流双丁坝水毁机理进行了探索并提出了双丁坝坝头冲刷坑公式。任志[12]基于塔里木河流域沙漠段水沙特性研究了透水丁坝的冲淤规律。
1.4 丁坝水流紊动特性的研究
张华庆研究了丁坝坝头附近和坝后回流区水流的紊动特性, 研究表明丁坝坝头前和下游回流区紊动动能增加明显。苏伟[13]通过动床试验分析了丁坝不同坝型对水流紊动特性的影响, 并研究了紊动特性与河床冲刷间的联系。陈稚聪]通过玻璃水槽试验, 利用3D-PDA测量了三维脉动流速, 并通过试验数据分析了坝后三个流区的紊动强度。Jennifer等[14]采用多激光普勒流速仪 (LDV) 对丁坝附近的水流流速和水位进行了测量, 通过实测数据分析了丁坝水流的三维紊动特性。
2 数值模型方面研究现状
对丁坝早期的研究主要以概化物理模型试验为主, 试验因其能获得可靠的数据在河道整治工程的研究中占据着重要的地位。但试验研究因各种影响因素众多使其也有局限性。随着计算机硬件和软件的不断更新, 运用数值模拟来研究丁坝的水流特性成为了近年来的趋势, 其中主要分为二维和三维数值模拟研究。
2.1 二维数值模型
郑艳等[15]运用计算流体力学 (CFD) 方法, 通过建立RNGκ-ε模型对宽浅河道中非淹没丁坝的流场进行二维数值模拟研究;结果表明, 该模型能较好的模拟丁坝下游回流尺度, 丁坝长度与回流边线以及河宽束窄系数成正比且分别与两者呈线性关系。刘军应用二维浅水模型, 并采用有限差分法 (FDM) 进行离散;通过对单、双丁坝二维数值模拟计算, 得到其相应的流速矢量图、流线图以及流速分布相关数据, 并将数值模拟数据与实验资料分析对比, 吻合结果较好。潘军峰等建立了平面二维流函数-涡量数值模型, 模拟了丁坝不同坝长、布设方式、丁坝数量下的情况, 分析了丁坝局部冲刷坑的主要原因。闫金波成功将非正交曲线坐标系下的二维数学模型应用于丁坝绕流的计算中, 取得了较好的结果。许慧基于淹没丁坝群水流特性, 提出了二维水流数值模拟新方法, 该方法是将丁坝视为无厚度坝, 经比对模拟结果与实测资料符合较好。周杰采用平面二维泥沙数学模型局部加糙的方法, 在不关注坝头局部冲刷的前提下, 对清远水利枢纽下游淹没式丁坝群进行数值模拟, 验证了此模型在工程中的应用。
2.2 三维数值模型
陈宇豪等选用Flow-3D中的RNGκ-ε紊流模型建立了三维数学模型来分析丁坝的水流计算, 分析了不同坝型的过坝水力特性, 得出不同坝型对水流的影响以及水流在丁坝不同位置处的水流特性。于守兵等以水槽试验作为数学模型验证, 建立了三维浅水紊流模型并进行离散;通过对三维丁坝水流进行模拟研究了丁坝的水流特性。李子龙等基于非结构网格, 采用有限体积法 (FVM) , 建立了三维自由表面水流模型, 研究了非淹没正挑单丁坝的水流运动, 分析了弗劳德数对于丁坝绕流运动的影响。魏文礼采用气液两相流大涡模型模拟了90°弯道明渠在增设了丁坝后的水流特性, 结果表明, 在弯道中布设丁坝后可有有效的消除弯道环流, 而且T形丁坝无论是在改善弯道水流流态方面还是在自身安全性上都有更大的优越性。
3 总结与展望
综合近年来国内外丁坝水流特性研究的现状, 总体上, 学者们主要针对丁坝回流区、水流流态、紊动能特性、冲刷淤积这几个方面进行研究。这其中绝大多数对单丁坝直道的水流特性影响进行研究, 而双丁坝甚至丁坝群的研究较少, 对丁坝弯道水流特性的研究也不够充分。开展对弯道丁坝群的研究将是今后的一个发展趋势;另外, 将概化物理模型同三维数值模拟相结合的方式也将是未来研究中重要的方法。
参考文献
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[2]Ahmedи.Experimentson design and behavior of spur-dikes[C].Minnesota International Hydraulics Convention.American:American Society of Civil Engineers, 1953:145-149.
[3]刘易庄, 蒋昌波, 邓斌, 王刚.淹没双丁坝间水流结构特性PIV试验[J].水利水电科技进展, 2015, 35 (06) :26-30+46.
[4]顾杰, 李梦玲.丁坝对弯道水流特性影响的试验研究[J].水动力学研究与进展, 2018, 33 (2) :786-793.
[5]李冰冻, 李嘉, 李克锋.丁坝水流的水槽试验及数值模拟研究[J].水动力学研究与进展A辑, 2013, 28 (02) :176-183.
[6]韩晗, 张曼, 林斌良, 周建军.连续丁坝回流特性实验研究[J].水力发电学报, 2017, 36 (10) :84-92.
[7]黑鹏飞.丁坝回流区水流特性的实验研究[D].清华大学, 2009.
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[10]谭天琪.山区河流上下双丁坝回流区的水沙特性试验研究[D].重庆交通大学, 2017.
[11]杜飞.山区河流上下双丁坝冲刷机理研究[D].重庆交通大学, 2015.
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[15]郑艳, 魏文礼, 刘玉玲.丁坝长度对回流长度影响的数值模拟研究[J].沈阳农业大学学报, 2014, 45 (02) :195-199.
