斷面寬高比對彎道水流水力特性影響分析

張立群

(朝陽縣凌河保護區管理局，遼寧 朝陽 122004)

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斷面寬高比對彎道水流水力特性影響分析

張立群

(朝陽縣凌河保護區管理局，遼寧 朝陽 122004)

采用聲學多普勒流速儀及CCD攝像機水流運動捕捉技術對不同斷面寬高比的彎道水流水力特性進行了試驗研究，得到不同工況下的彎道水流流量與水流的分布情況，總結了寬高比對彎道水流水力特性的影響規律，證明斷面寬高比基本不影響彎道水流的基本水力分布形態，但對其量化程度影響明顯，而各個位置處按受影響程度大小可排序為：彎道中部，彎道中后部，彎道入口處，彎道尾部。

寬高比；彎道水流；水力特性；試驗；影響分析

1　概　述

自然界的河流大多為彎曲河流，其河流水力特性的研究有許多方面的應用，如引水防沙、岸灘保護、取水口位置的設計安排等。目前國內外對彎道水流的研究已經很深入，例如郭維東等人研究了丁壩對彎道水流紊動強度的影響，閆曉惠等人分析了取水口位置對彎道水流流速分布的影響等。這些研究對實際工程設計、尤其是工程優化設計做出了重要的貢獻，但在許多方面還存在提高的空間，例如很少有人詳細分析過斷面寬高比對彎道水流水力特性的影響。

因此，本文采用彎曲水槽為試驗模型，通過改變水深的方式來改變水體斷面寬高比(主要指入水口處寬高比、即河道平均寬高比)，并采用聲學多普勒流速儀及CCD攝像機水流運動捕捉技術對不同工況下的水流進行觀測，得到了不同寬高比工況下的水力特性，從而詳細分析出斷面寬高比對彎道水力特性的影響,為更為精細地、科學地解決彎道水流相關工程問題提供了理論參考。

2　方　法

試驗主要在有機玻璃水槽中進行。試驗水槽主要由3部分組成：入口直段、彎道段、出口直段。其中心線總長18 m，其中入口直段場12 m，出口直段場2.2 m，曲率半徑為135°，曲率半徑與底寬比為1.5。水槽底部鋪上細沙以模擬河道中的泥沙，細沙的平均直徑為0.7 mm。試驗皆在清水沖刷條件下進行，即入口河床摩擦速度小于臨界河床摩擦速度。共進行四組不同工況的實驗，它們底寬保持不變，通過改變水深來改變斷面寬高比[1]。表1為具體的試驗工況及參數。

表1　試驗工況及參數

采用Nortek聲學多普勒流速儀對四組試驗進行測量。該儀器對于1 mm/s流速的誤差范圍為0.5%。 每個流速儀測量四個流速分量，分別是x方向速度分量，y方向速度分量，z方向速度分量，以及第二個z方向速度分量以計算誤差。所有流速的測量都以水槽墻壁為參照物，其測量頻率為200Hz。儀器探針的安置經過自信的檢驗與調整，其誤差大約為2°，在計算機后期處理后該誤差得到修正。在水平方向上，每個橫斷面進行五組測量，其中心點相隔20 cm。在豎直方向上，測量點位置主要由水深而定，主要測量點有河床以上5,10,20,40,以及70 mm。

此外，水流中加入水流示蹤顆粒，用CCD攝像機對實驗過程進行記錄，在計算機后期處理中將所錄圖像用測量數據進行修正，從而可以拓展觀測點而獲得整個水流面的水力參數[2]。

3　結　果

3.1流量

為更好地分析彎道水流中的水流分布情況，繪制標準化的順水流方向單位流量情況于圖1中。圖像幾何布置與試驗布置圖完全相同，其數據為工況及時間平均數據、即將所有數據按時間進行平均計算而得，其中1代表單寬流量最大，0代表其流量最小。

圖1　彎道標準化平均單寬流量分布圖

由圖可見，從彎道入口至彎道出口，高流量區逐漸從彎道內側移動到彎道外側。在彎道后半程的內側，其流量基本為零，而外側流量最大。不同寬高比對該基本規律基本不產生影響。但寬高比可以改變其量化程度。

1)0°位置：在0°位置(即彎道入口處)，寬高比對流量分布的影響非常小，各工況高流量區與平均高流量區的位置偏差低于5%。當寬高比為5時，高流量區所在位置略向外圍偏移，且其范圍略有增加；當寬高比為6.65時，高流量區所在位置略向外圍偏移但程度只有大約2%，其范圍的擴大基本可以忽略不計；當寬高比為9.1時，高流量區所在位置相對平均情況略向內圍偏移，其范圍的略有縮小；當寬高比為12.5時，高流量區所在位置向內圍偏移接近5%，其高流量去范圍有所縮小但比例只有3%。

2)45°位置：在45°位置(即彎道中斷處)，寬高比對流量分布的影響非常大，各工況高流量區與平均高流量區的位置偏差可達到23%。當寬高比為5時，高流量區所在位置向外圍偏移約20%，不同于平均情況，該條件下高流量區已經接觸到外側墻壁，其高流量區范圍也同樣有所增加；當寬高比為6.65時，高流量區所在位置依舊向外側偏移約9%，其范圍的擴大基本相對于前一種工況略有減小；當寬高比為9.1時，高流量區所在位置中點相對平均情況略向內側偏移7%左右，其范圍略有縮小，大約為4%；當寬高比為12.5時，高流量區所在位置向內側大程度偏移且范圍大幅度縮小，相對于平均情況偏移程度可達到23%、縮小程度可達7%，在這種情況下，高流量區中線所在位置只略偏離河道軸線、而無特別明顯的偏向外側的特征。

3)90°位置：在90°位置(即彎道中后段)，寬高比對流量分布的影響相對較小，各工況高流量區與平均高流量區的位置偏差最高可達11%。當寬高比為5時，高流量區所在位置向外圍偏移約8%，不同于平均情況，該條件下高流量明顯地接近外側墻壁，其高流量區范圍也有所增加；當寬高比為6.65時，高流量區所在位置偏移趨勢依然為偏向外側，其中點相對平均值移動約2.5%，其范圍略有擴大但基本可以忽略不計；當寬高比為9.1時，高流量區所在位置相對平均情況向內偏移約4.5%，其范圍有所縮小、相對于平均值的比例大約為2%；當寬高比為12.5時，高流量區所在位置向內側偏移程度可達5.8%，范圍明顯縮小。

4)135°位置：在135°位置(即彎道出口段)，寬高比對流量分布的影響幾乎可以忽略不計，各工況高流量區與平均高流量區的位置偏差低于1%，其范圍變化甚至<0.5%。

3.2流速

圖2為彎道標準化平均流速分布圖，由所有順水流方向流速數據按時間進行平均計算而得，代表所用工況下的平均水流分布情況，其中1代表最大流速，0代表最小流速。

圖2　彎道標準化平均流速分布圖

由圖2可見，流速在入口處在內側增大，而進入彎道后高速度水流主要偏向于外側，在中后部分水流撞擊墻壁，與尾部逐漸在轉向內側。其彎道流速分布的特點主要可總結為：在兩端流速低而中間高，在入口處高流速區向內部偏移，而之后向外側偏移，在出口后又逐步向內側擴散。不同寬高比對該彎道水流的分布形態沒有影響，但影響其具體的分布程度。這些結論類似于流量分布情況，但可以看出其分布相對更加均勻，橫斷面各點之間的流速情況差別不大。

分別取0°,45°,90°以及135°橫截面進行分析，發現在不同工況下流速分布有以下4點規律：

1)在0°截面，寬高比越大，則高流速水流越偏向右側。

2)在45°截面，寬高比越大，則高流速水流也越偏向右側。

3)在90°截面，寬高比越大，則高流速水流越偏向左側。

4)在135°截面，寬高比越大，則高流速水流明顯偏向左側。

總體來看，當寬高比增大時，彎道水流的特點表現得越早。例如，當寬高比為12.5時，45°截面的規律基本等效于寬高比為5工況下的60°截面分布規律。此外，在各個截面，當寬高比越大時，流速分布也越均勻。

4　分　析

高流量區從入口到出口由內側向外側移動，而這種特性基本不會隨著工況的改變而發生變化，因此可以認為該水力特性為彎道水流的基本特性、不受斷面寬高比的影響，但其量化程度卻隨斷面高寬比明顯地變化：在彎道入口處流量分布受寬高比的影響非常小，而在彎道中部受寬高比影響非常大，在中后段受寬高比影響相對較小，而在末端受寬高比的影響基本可以忽略不計；當寬高比越大時，高流量區越偏向內側，高流量區的范圍越小。

彎道流速分布的特點主要表現在兩端流速低而中間高，在入口處高流速區向內部偏移，而之后向外側偏移，在出口后又逐步向內側擴散。這種特性也基本不會隨著工況的改變而發生變化，因此從定性角度分析它不受斷面寬高比的影響，但從定量角度分析該影響則較明顯，而且其影響的程度分布與流量影響情況完全相同，即從入口處到中部影響程度增大，之后影響程度不斷減小，直至忽略不計；當寬高比越大時，彎道流的流速特點表現得越早，流速分布也越均勻。

5　總　結

基于斷面寬高比對彎道水流水力特性影響的試驗研究，可以得到以下5點結論:

1)高流量區從入口到出口由內側向外側移動。

2)彎道流速分布的特點主要表現在兩端流速低而中間高，在入口處高流速區向內部偏移，而之后向外側偏移，在出口后又逐步向內側擴散。

3)寬高比不改變彎道水流的基本水力規律，但可以明顯改變其量化值，且影響程度由大到小排列為：彎道中部，彎道中后部，彎道入口處，彎道尾部。

4)當寬高比越大時，高流量區越偏向內側，高流量區的范圍越小。

5)當寬高比越大時，彎道流的流速特點表現得越晚，流速分布也越均勻。

[1]郭維東，周陽，梁岳，馮亞輝.丁壩對彎道水流紊動強度影響的試驗研究[J].水電能源科學,2005(05):70-72.

[2]閆曉惠，陳新.取水口位置對彎道水流流速分布影響的數值模擬研究[J].甘肅水利水電技術,2015(06):28-30.

1007-7596(2016)05-0043-03

2016-03-17

張立群(1977-)，女，遼寧朝陽人，工程師。

TV131.3

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