一、研究背景及意义本研究针对明渠浅流单侧突扩后回流区的宏观特性进行实验研究及数值模拟。水工建筑中的丁坝,又名“挑流坝”,是与河岸正交或斜交伸入河道中的河道整治建筑物。作为治河工程、交通建设、河滩围垦和海涂工程中最常用的建筑物之一,以其经济性和环保性占据着不可替代的位置。图1展示了自然界中常见的回流流动的场景。由于逆压梯度的存在,流动向丁坝一侧河岸偏离,到达止点后形成一个回流区,或称为“零流量区或死区”。在这个区域范围内,动量和能量的交换十分缓慢,进而行成了一个相对封闭的低速区域,流体中的泥沙、粘土和有机物等由于速度的降低而进行沉降、堆积。植物群,如藻类的滞留时间也和流场的细节以及混合层的特性息息相关。天然河道中,从主流进入回流区的泥沙通常在此大量淤积,给水利及航运等工程的运行带来不利影响,如泥沙碍航、电厂取水条件变化和坝区防洪库容的损失等一系列问题。另一方面,浅水流动产生的限制作用也是影响回流区特性的关键因素。在环境流动中,水平尺度L远远大于垂直尺度h,所以流动被垂直限制在固定表面(河床)和自由表面(气液交界面)之间。这样的限制作用使得三维的涡结构会被限制成为和混合层大小(δ)呈现一定关系的准二维(Quasi-2D)结构,增加了回流区预测的复杂程度。因此,探讨丁坝后回流区的流动机理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有现实指导意义。由自然流动的问题中抽象出来的槽道流动在世界范围内很多大学和研究中心被广泛研究,如加拿大麦吉尔大学的Chu研究团队,荷兰代尔夫特科技大学的Uijttewaal研究团队、法国INSA Lyon的Riviere研究团队以及哈尔滨工业大学韩磊研究团队。Chu最先提出了评估浅流的槽道底部摩擦程度的系数S作为影响无量纲回流区长度L/d的重要参数,并做出定义S=λd/8h,指出了底部摩擦无量纲系数S与Darcy摩擦系数、剪切层的厚度和速度梯度相关,将宏观和微观的三个参数综合在一起考虑。给出了回流区长度的表达式L/d=a/S,系数a介于0.5和0.7之间。同时,R_b作为突扩的结构参数也同时影响回流区的宏观特性。Uijttewaal研究团队针对槽道流动进行了大量高精度实验工作,应用宏观尺度激光粒子测速系统(LSPIV)对流场进行了高精度测量,获取了大量实验数据库,给出了回流区长度与底部摩擦系数S之间的关系;与此同时,也详细分析了回流区和主流区混合层的流动特性,包括湍动能(TKE)以及剪切应力等,说明了混合层对于宏观特性存在着较大影响。法国INSA Lyon的Riviere研究团队建立了大型槽道流动试验台,并针对广域的S和R_b进行了实验及数值模拟研究,在确定了S和R_b的既有研究结果基础上,区分了摩擦区域,非摩擦区域和过渡区域。在摩擦区域,S增大,回流区长度减小;在过渡区域,L/d随着S变化呈钟型分布;在非摩擦区域,S增大,回流区长度增大。该研究结果对既有研究结果进行了S范围上的广域扩展。哈尔滨工业大学韩磊研究团队在以往相关参数研究基础上,针对回流区的混合层进行了研究。通过分析混合层的流体动力学特性,说明了微观层面底部摩擦系数S对于回流区长度的影响,提出了h/d对于回流区的影响是不可忽略并且指出在同一S下,随着h/d的增大,回流区降低。在实验中,进一步通过延时摄影的方法,分析了脱落涡的大小以及相关系数。最后,结合大量实验数据和数值模拟数据,通过非线性回归分析,给出了回流区长度随S,R_b以及h/d的关系式。二、研究目标及方法本文将通过实验研究和数值模拟的方式对S,R_b和h/d这三个参数进行研究,分析其对于回流区长度的影响及机理。首先对槽道试验台进行了设计,加工和安装,满足了流量和均匀流动的要求,并且通过独创的侧板平移装置,实现了R_b的灵活无级变化,满足大量工况需求(R_b从0.75到0.33)。流速通过水泵和阀的开度来控制,以此来达到不同的水深和雷诺数Re,进而改变底部摩擦系数S。由于实验台底部更换的难度,本研究不能在实验中将h/d从S中分离。其次,为了将h/d参数的影响单独从S中分离,应用ANSYS CFX进行了数值模拟计算。由于壁面函数的选择会对回流区长度有很大影响,参考相关文献,采用Shear Stress Transport(SST)模型进行模拟。该模型对于自由流动的计算效率高,并且也保留了壁面函数应有的精度。与以往的研究不同的是,针对自由表面的处理,采用Volume of Fluid(VOF)的方式来获取自由表面。通过计算网格内部的水气含量来捕捉自由表面。计算网格采用结构化六面体网格,并且对边界附近进行了加密处理以此来提高计算精度。构建了数值模拟策略,针对三个参数,固定其中两个改变第三个参数来确定其对于回流区长度的影响规律。因此,可以通过改变底部粗糙度的方式来在不改变S的情况下改变h/d。S通过进口流量来控制,R_b通过槽道的外形改变来进行控制。三、研究内容实验部分,设计并且搭建槽道实验台,完成h/d,S和R_b三个参数的灵活改变。包括扩展段、流动出口变量机构。利用粒子激光测速系统(PIV)系统对流场进行测量,通过回流区壁面处的速度方向折转定义回流区的止点位置进而获取回流区长度。数值模拟部分,采用ANSYS平台进行模型的建立和网格的划分,选择SST k-ω模型作为湍流模型。利用速度入口和静压出口以及固体避免作为流动的进出口和底部侧部的边界条件。利用VOF重构自由液面,以此来更加准确地模拟槽道流动的气液交界面。利用730,000到6,000,000六套不同网格数量的结构化网格,针对同一个算例工况进行网格无关性分析,确定网格数目,在保证计算精度和计算效率的情况下尽量提高网格的适用性和精确性。首先进行研究的参数是h/d即无量纲水深,工况如表1所示。该种工况是在R_b=0.75和S=0.03时进行研究。通过均匀流动计算公式组计算h/d的值,分别为0.1,0.125,0.15,0.175,0.2。其次是对底部摩擦系数S进行研究,工况如表2所示.在和以往实验结果对比的基础上,选取了分析S的范围,从0.01至0.045进行8个工况的计算。最后,针对结构带来的影响进行分析。确立突扩系数R_b并进行选取。最后结合槽道试验台的结构特点,选取不同R_b进行数值模拟,详见表3。在此过程中,保持S和h/d为常数。针对以上三个参数,分别分析其对于回流区的影响特点,建立实验数据库。四、研究结果(1)实验部分结果,由于时间的限制和实验台安装的滞后,完成了试验台的设计和安装以及PIV系统的调试工作。设计了8.5米长的槽道,包括进出口,整流装置以及动力装置。完成了可变扩展比的活动机构方便后续各类R_b的实验。(2)水深会显著影响回流区的长度,并且随着h/d的增大,回流区长度近线性的下降。(3)底部摩擦系数S也会影响回流区的长度。在对数坐标系下,随着S的增大,L/d减小。然而,当S<0.01时,呈现了相反的趋势,这与以往的实验规律相符。(4)R_b受几何尺寸影响,也会影响回流区的长度。在R_b从0.8到0.33的变化过程中,回流区长度逐渐增大。(5)通过PIV实验测量,针对S=0.009的工况开展了精细化测量,获得了回流区的长度,与数值模拟进行了对比,结果相符,验证了数值模拟的准确性。五、展望(1)继续完善实验测试,将PIV用于流场的测量,在获得流场回流区长度的同时,获取混合层以及回流区内部的湍流特性,进而从微观上分析突扩流动的分离机理。(2)数值方法上,由于是RANS,故雷诺应力项无法计算,不能捕捉涡动态的相关特性,希望后续工作基于大涡模拟(LES)进行开展,既提高了计算精度,也满足了分析涡动态的实时性要求。