基于3D 打印物模的輸水渡槽出口流態優化試驗

馬山玉，李 釗，王志剛，曲曉寧，崔航飛

（1.河南省水利勘測設計研究有限公司，鄭州 450016；2.中國南水北調集團中線有限公司河南分公司，鄭州 450016）

南水北調中線工程是跨地區、 跨流域的特大型調水工程，全線采用自流輸水方式。中線干線工程澧河渡槽， 設計輸水流量320m3/s， 加大流量380m3/s。2020年4月末，中線工程開啟運行以來第一次大流量輸水， 陶岔入渠流量從350m3/s提升至420m3/s。 在此期間，澧河渡槽出現流態紊亂現象，槽內水位異常波動，渡槽出口出現明顯的卡門渦街現象［1］，一定程度上制約了中線工程的調水能力， 亟需研究流態紊亂原因并提出流態優化工程措施。

針對卡門渦街［1、2］的研究較多，消除卡門渦街的工程措施研究較少。 在參考南京三叉河河口閘過閘水流流態改善措施［3］和南水北調中線工程十二里河渡槽流態優化措施［1］的基礎上，以澧河渡槽為典型，基于高精度三維水動力學數值計算開展輸水渡槽流態分析研究。為驗證數值計算成果的準確性，考慮到水工物模試驗成本高，周期長的特點，基于3D打印物理模型， 對渡槽出口新建不同長度三角形導流墩后流態改善程度，開展了定性試驗研究。

1 3D打印水力學模型設計與制造

1.1 澧河渡槽工程概況

澧河渡槽采用雙槽布置形式，渡槽總長736m，渡槽為矩型截面，寬10m，設計水深6.13m，加大水深6.83m，渡槽頂部設拉桿橫梁，底部距離加大水位0.1m。 渡槽進、出口閘室中隔墩厚度5m，進出口中隔墩端部分別倒角1.8m和1.3m；渡槽上、下游采用漸變段與梯型總干渠連接。 澧河渡槽工程布置如圖1。

圖1 澧河渡槽布置示意圖

1.2 水力學模型設計

澧河渡槽流態優化試驗水力學模型按照重力相似準則，采用正態模型。 以澧河渡槽竣工圖構建BIM模型，在滿足水深不宜小于3cm的前提下，以3D打印機可打印的最大尺寸確定模型比例為1∶200。模型主要用于流態定性研究，基于3D打印技術和材料制作的模型表面糙率達不到比尺相似要求，但對試驗成果影響不大，可不校正模型糙率，局部不平整處稍作打磨，過水斷面涂抹固態石蠟降低表面黏滯力。

1.3 模型制作

使用3D打印機，選用新型生物降解塑料PLA按1∶200的尺寸打印澧河渡槽建筑物， 包括50m長進口渠道、進口漸變段、進口閘室段渠道、渡槽、渡槽出口閘室段渠道、渡槽出口漸變段等，使用AB結構膠將分塊打印的模型黏接成整體。 用有機玻璃制作蓄水槽及前池水槽，3D打印渡槽模型按高程比例用膠結固定在蓄水槽內。設隔板將前池水槽與蓄水槽隔離，渡槽進口渠道與前池隔梯形缺口黏接， 渡槽出口為自由狀態。蓄水槽外部設儲水箱，通過變頻水泵將水箱內的水按一定的流量抽到前池水槽， 經穩流后流入渠道模型內。水流從模型出口流出后進入蓄水槽，蓄水槽內設帶有截止閥的排水管。 通過變頻調節進入前池水槽的水量， 通過調節排水管上的截止閥控制排水流量。 3D打印部分模型如圖2，水力學模型如圖3。

圖2 3D打印物理模型

圖3 水力學試驗模型

1.4 水力學模型水流量及調控

3D打印水力學模型幾何比尺為λL=200， 則流量比尺λQ為式（1）：

渡槽設計流量320m3/s，物模流量為式（3）：

水力學模型試驗應在設計流量至加大流量的狀態下進行，模型的試驗流量應調控到0.672～0.566L/s。水力學模型使用變頻水泵形成循環水流， 水泵流量4000L/h，共20個變頻檔位。 以10min為單位，量測抽到蓄水槽的水的體積，可推算水泵的流量。經過反復的試驗，水泵的電機處于12檔時流量約0.67L/s；電機處于10檔時流量約0.57L/s。 設計流量試驗前，先將蓄水槽內的水蓄到渡槽出口處水深3.07cm； 加大流量試驗前， 先將蓄水槽內的水蓄到渡槽出口處水深3.41cm，同時開啟水泵和排水閥，將水泵電機調整到驗證的檔位，維持渡槽模型的水位和流量，驗證導流墩安裝前和安裝不同長度導流墩的流態。

2 物理模型試驗

通過數值模型模擬的方式， 綜合考慮對原建筑物結構影響、施工難度、流態改善程度、投資等因素后，推薦在渡槽出口新建三角形導流墩，并用數值模型定量研究分析了出口新建10，20，30，40m 4種長度的導流墩方案。

為驗證數值模型的準確性， 采用3D打印水力學模型開展試驗， 研究在渡槽出口新建不同長度導流墩的流態。以3D打印水力學模型，選取現狀及出口加裝20，30，40，60m長度導流墩分別進行流態模擬，定性對比分析加裝不同長度導流墩后對流態變化的影響趨勢，并與數值模型分析流態對比驗證。

2.1 現狀出口流態模擬

3D打印物理模型試驗可以完整模擬澧河渡槽出口流態，現狀條件下，澧河渡槽出口局部流態紊亂，成旋渦狀向前發展，與實際情況相符。物模模擬現狀流態如圖4。

圖4 渡槽出口現狀流態

2.2 出口加裝20m長度導流墩流態模擬

出口加裝20m長度導流墩后，澧河渡槽出口流態有一定改善，但總體還成旋渦狀向前發展。 流態如圖5。

圖5 渡槽出口加裝20m導流墩流態

2.3 出口加裝40m長度導流墩流態

出口加裝40m長度導流墩后，澧河渡槽出口流態改善明顯，旋渦狀基本消失。 流態如圖6。

圖6 渡槽出口加裝40m導流墩流態

2.4 出口加裝60m長度導流墩流態情況

出口加裝60m長度導流墩后，澧河渡槽出口流態基本穩定，旋渦狀消失，與加裝40m導流墩效果基本相同。 流態如圖7。

圖7 渡槽出口加裝60m導流墩流態

3 物理模型試驗與數值模型對比分析

為研究對比3D打印水力學模型的可靠性， 對比分析了渡槽出口未安裝導流墩前現場的實際流態、3D打印物模模擬的流態和數值模型模擬的流態，以及在渡槽出口加裝不同長度導流墩后， 通過數模和物模分別模擬的流態。

3.1 初始狀態渡槽出口流態對比分析

3.1.1 渡槽現狀實際流態

根據現場觀測顯示，渡槽過流320m3/s流量時，澧河渡槽出口漸變段流態紊亂， 左右兩槽水流以中隔墩為中心，呈周期性擺動現象，擺動周期約為8s，并伴隨有旋轉方向相反的反對稱旋渦向下游傳遞，即呈現出流體力學中典型的”卡門渦街”現象，流量越大流態越紊亂，現場實際流態如圖8（a）。

3.1.2 3D打印模型模擬流態

采用3D打印水力學模型， 模擬加大流量下渡槽出口的流態如圖8（b），渡槽出口的卡門渦街現象，流態擺動趨勢與實際流態接近。

3.1.3 數值模型模擬流態

數值模型模擬渡槽出口流場分布如圖8 （c），流態如圖8（d），模擬結果顯示：由于出口墩頭寬平，渠水急劇繞流，使得墩頭后流態紊亂，左右兩槽水流以中隔墩為中心，呈周期性擺動現象，數模、物模模擬結果與澧河渡槽當日現實觀測結果完全一致。

圖8 現狀出口流態對比

3.2 數值模型出口加裝不同長度導流墩流態

為給消除流態紊亂的工程措施及方案設計提供參考依據，采用數值模型，模擬了渡槽出口新建10，20，30，40m三角形導流墩的流態，數值模型計算不同尺寸導流墩流速分布如圖9。

圖9 數值模型出口不同尺寸導流墩流速分布

流態對比結果顯示，出口安裝10m導流墩后“卡門渦街”現象仍未消失，但與現狀相比尾流擺動幅度和頻率有所降低；20m導流墩“卡門渦街”現象基本消失， 但仍存在微小擺動；30m和40m導流墩尾流擺動現象完全消失。隨著導流墩的加長，左右側流速分布更加對稱。

3.3 對比分析

3D打印物理模型能夠模擬出渡槽現狀流態，能與數值模型和現場觀測現象吻合。 通過對出口加裝不同尺寸導流墩進行流態模擬試驗，3D打印物理模型試驗可定性模擬渡槽流態的變化趨勢， 通過試驗可知渡槽出口加裝30m（或大于30m）長度導流墩后，澧河渡槽出口流態改善明顯，旋渦狀基本消失，與數值分析結果及推薦優化方案結論基本一致。

4 結論和建議

（1）3D打印水力學物理模型，可以用于試驗研究建筑物現狀流態和優化措施流態。

（2）3D打印模型糙率高、打印效率低，建議復雜的曲面采用3D打印， 模型的平面部分采用與比尺糙率接近的亞克力等材料， 將3D打印的模型精細打磨后與亞克力材料黏接形成水力學模型。

（3）用于流速分布、體型優化等模型試驗研究時，建議采用大型3D打印機和大比尺模型，可提高試驗數據的精度。