圓柱樁群繞流特性試驗研究

鄧 紹 云

(1.伊犁師范學院，新疆 伊寧835000;2.河海大學，江蘇南京210098)

圓柱因繞流的阻力較小，從而廣泛應用于水利工程。不同排列的圓柱樁群對水流的影響有差異，這種差異極難以數值模擬，而物理模擬試驗研究行之有效，故筆者特進行了大量組次的水槽物理模擬試驗研究。研究進行于南科院河港所長江口大廳寬5 m，長30 m的寬長水槽中，樁群置于水槽中央區域，并依據有關文獻［1-10］充分考慮水槽邊壁影響，實驗設備如文獻［6］所詳述，這里因篇幅限制略去。

1 流態對比測試

研究目的是探討樁柱的排列方式和迎流角及水流流速不同對樁群繞流流態影響的差異。文中，水深用H表示;樁徑用D表示;樁數用N表示;樁群樁柱列數用m表示;排架數用n表示;樁群橫向阻水率(橫排樁柱阻水面積和/樁群寬度)用DH表示;縱向樁柱密度(每列樁柱樁徑和/樁群長度)用DV表示;流速用V表示;樁群迎流角用θ表示;橫向樁心距用SH表示;縱向樁心距用SZ表示;樁群寬用B表示;樁群長用L表示。

1.1 測試對象

被測圓柱樁群外包絡線長0.33 m、寬0.11 m，矩形排列，其各自特征如表1。

表1 被測樁群特征描述Tab.1 Characteristics description of tested pile clusters

(續表1)

1.2 試驗組次

在不同被測樁群、流速和樁群迎流角組合下，組合次數很多(表2)，測試組次的選擇都是根據水槽實際情況和便于比較而設定。

表2 樁群繞流流態比較測試組次Tab.2 Flow regime comparison for testing times

試驗組次很多，其繞流實況不能一一列舉，選取圖片如圖1。

圖1 樁群繞流實況對比Fig.1 Comparison of the scene of water flowing around pile clusters

1.3 結果分析

據文獻［1-3］，馬蹄形旋渦和后方尾流旋渦的數目和尺寸在一定程度上反映水流的紊動程度，漩渦數目越多、尺寸越大，水流紊動越急。所以觀測馬蹄形旋渦和后方尾流旋渦的數目和尺寸具有實際意義。

通過測試結果定性分析，得出結論:水流流速對樁群繞流有很大影響，流速越大。也就是雷諾數越大，樁群繞流兩側流向下游的馬蹄形旋渦和后方尾流旋渦尺寸越大、越明顯，繞流紊動越劇烈，影響區域更寬更長;樁柱密度越大則繞流越明顯，越接近單樁柱繞流特性，馬蹄形渦旋和尾流旋渦尺寸越大、越明顯;當組成樁群的樁柱很稀疏時，樁群繞流很不明顯，馬蹄渦旋和尾流旋渦尺寸很小、很微弱。對樁群繞流特性的影響程度，樁群橫向樁柱密度大于縱向樁柱密度;迎流角對樁群繞流特性影響很大，微小的一個迎流角，將導致樁群后方尾流區域變得較樁群迎流角為0布置情況寬得多，而且，迎流角對繞流特性的影響，樁柱密度大的樁群，其影響程度甚于樁柱密度小的樁群。

2 排列方式等對繞流的影響

圓柱樁群繞流流態非常復雜，繞流各柱的流線穿越于各柱間，各柱的分離線可能不一，分離角也不同，所以圓柱樁群繞流不便用分離線和分離角來描述。但從圓柱樁群繞流現象可以看到，在圓柱樁群的左右兩側各有一條流線將里面復雜的繞流流線包絡著，為便于分析就定義該流線為圓柱樁群繞流包絡線，將這左右流線分別與自側樁群前后排圓柱中心線的交點的連線的夾角為圓柱樁群繞流包絡線張角用Φ表示。圓柱樁群繞流包絡線和其張角對把握圓柱樁群繞流現象有一定的實際意義，可通過圓柱樁群繞流測定。

圓柱樁群繞流除水流條件對它有影響外，其本身特性也有影響，如圓柱截面尺寸、各柱排列方式和迎流角。

2.1 被測樁群

被測圓柱樁群為6種，其編號及特征見表3。

表3 被測樁群特征描述Tab.3 Characteristics description of tested pile clusters

2.2 測試組次

為了有效對比同種樁群對不同流速情況、不同樁群對同種流場的影響程度的差別與聯系，特設定如表4的測試組次。

表4 樁群繞流包絡線張角測試組次描述Tab.4 Flare angle of envelope curve of flowing around pile cluster for testing times

2.3 測試結果

通過每組的若干次試驗，將所得數次試驗數據加以平均，得出測試結果如表5。

表5 樁群繞流包絡線張角測試比較Tab.5 Comparison of envelope curve flare angle for testing times of flowing around pile cluster

2.4 結果分析

2.4.1 水流流速V對樁群繞流包絡線的影響

比較測試對象為6#樁群，分別置于低、中、高3個流速級均勻水流中，其他條件相同，與水流流向正交布置，其測試結果見表6。

表6 流速對樁群繞流包絡線張角影響比較Tab.6 Influence comparison of flow velocity on envelope curve flare angle around pile cluster

比較得知，對于同一樁群來說，處于大流速水流(即大雷諾數情形)中，其繞流程度更劇烈，樁群繞流包絡線更外張，其張角更大，包絡的區域更寬，對周圍的水流影響區域更廣更寬更長。

2.4.2 樁群長度對樁群繞流包絡線的影響

比較測試對象為1#樁群和2#樁群，兩者的差別在于長度不一樣，2#樁群長度較1#樁群短，樁柱型號、排列方式等其他條件一樣。置于同樣的水流中，均與水流流向正交布置，測試結果見表7。

表7 樁群長度對樁群繞流包絡線張角影響比較Tab.7 Influence comparison of the length of pile cluster on envelope curve flare angle of flowing around pile cluster

由表7知，對于樁柱型號和排列方式等其他條件一定的樁群來說，樁群越長，其繞流紊動更劇烈，樁群繞流包絡線更外張，其張角更大，包絡的區域更寬，對周圍的水流影響區域更廣更寬更長。

2.4.3 樁群垂直流向阻流率對樁群繞流包絡線的影響

測試樁群為3#樁群和4#樁群，兩者差別在于4#樁群垂直流向阻流率大于3#樁群，也就是說在垂直流向樁柱的密度要大些，其他因素相同。置于同樣水流中，其測試結果見表8。

表8 樁群垂直流向阻流率對樁群繞流包絡線張角影響比較Tab.8 Influence comparison of the horizontal resisting water flow rate on pile cluster envelope curve flare angle of flowing around pile cluster

2.4.4 樁群排架密度對樁群繞流包絡線的影響

被測樁群為3#樁群和5#樁群，5#樁群的排架數大于3#樁群，也就是說在縱向樁柱的密度要大，其他因素相同。置于同樣水流中，其測試結果見表9。

表9 樁群排架密度對樁群繞流包絡線張角影響比較Tab.9 Influence comparison of the bent density on envelope curve flare angle of flowing around pile cluster

比較得知，樁群排架密度即縱向樁柱密度率越大，則樁群繞流紊動越劇烈，對水流的影響區域更大，更寬更長，樁群繞流包絡線更外張，其張角更大，包絡的區域更寬。

2.4.5 迎流角對樁群繞流包絡線的影響

被測樁群為6#樁群，分別于水流流向呈0°和5°迎流角，置于同一水流中，其測試結果見表10。

表10 迎流角對樁群繞流包絡線張角影響比較Tab.10 Influence comparison of up-flow angle to envelope curve flare angle of flowing around pile cluster

比較得知，迎流角對樁群繞流影響很大，同樣的樁群，一個小小的迎流角就能使樁群繞流影響區域展得較寬較長，迎流角越大，樁群繞流包絡線更外展，其張角更大，包絡的區域更寬。

分析發現樁群繞流張角Φ主要與雷諾數Re(一定程度反映水流流速V)與樁群阻流率DH(樁群迎流角θ實際影響樁群阻流率)關系密切，且與兩者同時相關聯，故這里探求張角Φ和雷諾數Re與樁群阻流率DH乘積(DH·Re)的相關關系，分析如圖2。

圖2 Φ和DH·Re的相關關系Fig.2 Relationship between Φ and DH·Re

得出經驗公式:

3 結論

通過對樁群繞流研究，定性分析了樁群繞流的影響因素，認為樁群的排列方式對樁群繞流流場有不同的影響。為方便說明，定義了樁群繞流包絡線和包絡線張角的概念，并對比測試了流速、雷諾數、樁群阻流率、樁柱密度、迎流角對樁群繞流包絡線和其張角的影響程度的差異。得出結論:流速、雷諾數、樁群阻流率、樁柱密度、迎流角越大對樁群繞流包絡線越外展和其張角越大，但遞增的幅度越來越小，并有趨于某個定值的可能。

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