丁坝布置方位角对河道水流流态的影响分析

芦 松

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

在治河工程中，丁坝是广泛应用的水工建筑物，在交通建设、河滩围垦和海涂工程中，丁坝也是常用的建筑物之一［1］。其主要功能为保护河床不受来流直接冲蚀而产生淘刷破坏，同时它也在改善航道、维护河相及保全水生生息场多样化方面发挥着作用。丁坝修建后局部地改变了河流流动形态，坝体尾部旋涡的产生、分离和衰减使水流呈强三维紊动特性，相应流动结构十分复杂［2］。探讨丁坝近体的流动结构不仅具有重要的水力学研究价值，也对丁坝的实际工程应用具有现实指导意义。

丁坝作为广泛使用的河道整治和维护建筑物，以丁坝与水流方向的夹角来区分，丁坝可分为上挑、下挑和正挑3种［3］。国内外常采用的坝轴线与水流线的夹角为：上挑丁坝，110°～120°；下挑丁坝，70°～60°，甚至更小；正挑丁坝，90°。夹角的不同，对水流结构的影响也不同。本文结合彭静［4］关于丁坝近体的流动结构可视化实验研究，利用数值模拟方法分析丁坝在不同布置方位角条件下对水流流态的影响。

1 计算模型

1.1 RNG模型

RNG紊流模型是由Yakhot及Orzag在1986年基于重整化群方法首先推导出的［5］，并在1992年对该模型进行了改进和完善。该模型的主要特点是：修正了湍流粘度，考虑了平均流动时的旋转情况，并且在ε方程中增加了一项，从而能够反应主流的时均应变率；RNG k-ε紊流模型中产生项不仅与流动情况有关，同时还考虑了该问题的空间坐标函数。

1.2 VOF模型

对于水流自由表面处理方法可以分为刚盖假定法和VOF自由表面法两种方法。VOF法相对于刚盖假定方法更能分析自由液面的变化。

所谓VOF模拟是通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的体积分数来模拟两种或多种不能混合的流体。

VOF模型中的两相或多相流体互不穿插，对增加到模型中的每一相引入体积分数变量，即计算单元中的体积分数。在每个计算单元内，所有体积分数之和等于1。所有变量及其属性的区域被各相共享并且代表了体积平均值，每一相的体积分数在每一个位置是可知的。在任何一个给定单元内的变量及其属性可能只是其中一相的变量及其属性，或多相混合的变量及其属性，这就取决于体积分数值［5］。在单元中，假设αw表示水的体积分数，αa表示气的体积分数，由上可知：

αa+αw=1

那么在一个单元里可能会出现以下3种情况：

（1）当αw=0时，控制单元内没有水，即充满空气；

（2）当0<αw<1时，控制单元内包含水气界面;

（3）当αw=1时，控制单元内充满着水。

2 模拟条件

2.1 计算区域

结合彭静关于丁坝近体的流动结构可视化实验，为消除上游入口、下游出口对丁坝处水流流场的干扰，设置水槽长10m、宽0.6m，丁坝布置在距离入口4m处，水槽坡降1/700。模型丁坝宽3cm，高5cm，长度保持坝头至坝的距离 0.1m。 布置方位角分别为 120°、90°、60°。

2.2 网格划分

采用六面体非结构网格，沿水深方向采用均匀网格划分，水流方向在丁坝附近进行了局部的加密，网格边长0.02m。节点数120624个。

2.3 计算工况

3种不同布置条件采用同一工况，水槽流量为21.31/s，丁坝间距20cm，下游控制水深0.076m。

2.4 边界条件

利用VOF方法计算，进口分为气流入口和水流入口，水流入口采用速度入口边界条件，水深定位0.1m，水流流速0.385m/s，气流入口设置为压力进口，压强等于大气压。出口同样分为两层，上部的气流出口和下部的水流出口，水流出口设置为压力出口，控制水深0.076m，气流出口设置为压力出口。

3 计算结果分析

应用RNG k-ε紊流模型对不同布置方位角条件下的丁坝进行数值模拟，得到不同布置情况下流场速度分布。取近底层z=0.02m，丁坝表层z=0.05m，比较分析两个流层的流场分布如图1～图3。

图1 下挑式丁坝条件下流场分布

图2 正挑式丁坝条件下流场分布

图3 上挑式丁坝条件下流场分布

分别比较3种工况下坝头处水流流速，如表1。

表1 丁坝坝头流速比较 单位：m/s

通过比较分析3组图发现，丁坝的近体流动结构具有强烈的三维紊动和非恒定特性。在淹没条件下坝头分离流和坝顶溢流将在其相应下游侧分别形成水平方向及垂直方向的回旋流动，但坝顶溢流形成的垂直方向回旋流占优，二者的共同作用使得坝后合成旋涡流动倾斜。

在丁坝遮挡的流段内流速降低，在坝头附近，因绕流使得流速急剧加大。3种不同的丁坝布置条件下，相比丁坝1、丁坝3，丁坝2坝头处底层流速较小。在不设置丁坝群条件下，渠道内流速0.449m/s，布置丁坝后，3种丁坝布置形式下丁坝1坝头流速分别增加到了 0.583，0.554，0.576m/s，流速增加较为明显。下挑布置条件下丁坝1上、下层流速基本一致，对水流流态改变较小，但较上挑和正挑丁坝两种布置形式，流速增加较为明显，较其他两种丁坝布置形式，上、下层流速差距较小；正挑丁坝上、下层流态较复杂，丁坝1上下层流速分别0.513m/s和0.554m/s，相差-0.041m/s，丁坝2底层流速小于表层流速，丁坝3底层流速大于表层流速，丁坝2、丁坝3底层和表层流速分别相差-0.122m/s、0.081m/s；上挑布置形式，丁坝1处底层流速小于表层流速，丁坝2、丁坝3处流速底层流速都大于表层流速。

4 结语

本文结合关于丁坝近体流态的实验研究，数值模拟了3种布置形式（上挑、正挑和下挑）下丁坝附近的水流流态，并对模拟结果进行了分析，比较了各坝头处底、表层流速的变化。研究表明丁坝布置形式对坝后回流的强度、尺寸都有一定影响。下挑丁坝有利于控导水流，对水流流态改变较小，但坝头处流速增加较大，需做好坝头的维护工作；正挑或上挑的丁坝有利于促使泥沙在坝裆之间快速落淤，掩护河岸或海塘工程不直接遭受水流冲刷，同时有利于集中水流，壅高水位。模拟结果对丁坝的合理布置以及坝址周围河底、堤防的维护具有指导意义。

［1］孔祥柏.丁坝对水流影响的试验研究［J］.水利水运科学研究，1983（2）:67-77.

［2］彭静，玉井信行，河原能久.丁坝坝头冲淤的三维数值模拟［J］.泥沙研究 2002，（1）:24-29.

［3］周阳，郭维东，梁 岳，等.非淹没丁坝附近水流流态［J］.中国农村水利水电，2006（7）:82-84.

［4］彭静.丁坝水流及冲刷［M］.郑州：黄河水利出版社，2004.

［5］童朝锋.分汊口水沙运动特征及三维水流数学模型应用研究［D］.南京:河海大学，2005.