Research on Three-dimensional Flow Field in Groyne Area
应利涛 YING Li-tao
（河南省中安易云生态环境规划设计有限公司，郑州 450000）
（Henan Province Zhonganyiyun Ecological Environmental Planning Design Co. Ltd.，Zhengzhou 450000，China）
摘要：本研究使用三维计算流体力学软件 FLUENT 模拟渠道内流经两支丁坝的流况，借由软件模拟流场特性，了解三维流场分布及涡度分布情形。研究案例依照丁坝长度、丁坝间距与上游流量不同分为三组。经由模拟回归得到此三项变因与丁坝回流长度及坝间流速的关系式，以供后续实验模拟参考。
Abstract: In this study, FLUENT, a three-dimensional computational fluid mechanics software, was used to simulate the flow conditions of two groynes. The case is divided into three groups according to the length, spacing and upstream flow of the groyne. The relationship between the three variable factors and the backflow length and flow velocity of the dam is obtained by simulated regression for reference in subsequent experiments.
关键词：FLUENT；三维流场；丁坝流场
Key words: FLUENT；3D flow field；groyne flow field
中图分类号：TV863；TV135 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）26-0218-04
1 研究目的
在工程应用上，丁坝属于常见的水工结构物，但丁坝附近流场是一紊乱的三维流场，过去做过许多研究仅着眼于单一丁坝周围流场行为，鲜少讨论到复数丁坝间交互作用情形。因此，本研究利用三维模式FLUENT进行数值模拟，分析丁坝区间内流速与涡度，并探讨在不同流况、丁坝长度、丁坝间距下流速与涡度分布的关系。
2 数值模式与模式验证
2.1 数值模拟设定
2.1.1 数值模拟架构
本研究采用流体力学软件FLUENT进行模拟，数值模拟主要分为三个架构：①Geometry与mesh为前处理部分，用来设计物理模型、网格建立边界条件设定等；②FLUENT为核心处理部分，为模式运算核心，进行模拟分析运算；③CFD-Post为后处理部分，将结果以数据或图表方式输出等。
2.1.2 收敛条件
本研究在执行计算机模拟时要考虑：①格网点的多寡及间距均匀性与非均匀性；②各项数值运算其值前后误差小于10-5；③在叠代过程中，为了避免数值变化产生发散或增加其收敛性，须调整其松弛因子使其低于预设值。根据模拟网格模型不同，每个计算时间间距（Δt）为0.01秒或更小以确保模式稳定。本研究在上下游流量误差低于1%即认为已到收敛需求。
2.1.3 网格设计
本文在绘制完渠道模型后，首先对模型打上格网，为加强底床部分模拟的精确性，在底床的位置上特别加密，在丁坝周围再做局部细化网格。最后利用歪斜度大小来判断网格质量好坏，如果网格质量太差则进行修正补强，歪斜度越大表示网格扭曲程度较强烈，在计算质量上较容易出问题，大于0.95模式会无法计算使用，所以要确认是否在0.95以下，慢慢修正将网格修至0.90以下。
2.1.4 边界条件设定
在计算流场时，所有边界均须给定边界条件，在本研究中渠道水流由左至右流动，分别指定空气与水两个单独速度进口，由于自由液面会随时间变动，所以空气层的部分让液面可以上下变动。另一方面为了避免上层空气产生回流产生不稳定，所以空气进口速度与水的进口速度相同。在计算上为了避免空气产生的剪应力影响模式运算，上部边界设定为对称边界，其物理意义为此边界上法线速度分量及变量的梯度均为零，下游出口采用自由出流，并不另外设定出口，水与空气比例，由模式循序运算，而其他固体边界则采用不可滑动边界条件。
2.1.5 自由液面设定
本研究模拟包含水与空气，因此采用多相流模式，但上部空气层厚度对于整体流场有较大影响，所以在设定入流时须将空气层深度设定大到足以避免上部边界压力效应的产生，如空气层厚度太小，会使得水流区域受到上部边界压力压迫使得自由液面模拟产生误差，当起始深度比在1/3或者更大时，上部边界效应就可不计。因此，本研究将起始深度设定比为1，以防止上部边界效应影响。
2.1.6 数值模拟设定流程
①前处理部分。
Geometry绘制模型；mesh产生网格；设定边界条件；输出三维网格资料。
②FLUENT部分。
读入网格。设置重力加速度，方向为负Z方向，并设置空气密度为工作流密度在初始水面上。选择VOF模块并指定两相流。设定水与空气的流体材料性质。定义多项紊流模型k-ε并选择近壁面模型增强壁面处理。指定边界条件。设定求解参数，松弛因子采用模式建议范围为0.2～0.5。设定初始条件。计算求解。
③后处理部分。
CFD-Post读取计算结果。结果后处理。
2.2 实验配置
2.2.1 Nawachuku
此实验使用实验水槽为长37m、宽0.92m，实验水深0.03m，渠道底部与两侧为光滑平面，水槽前端水流入口设置一蜂巢结构，用于整流使水流能平顺进入试验段，并将试验铝板布置在水槽中段右岸，试验铝板长15.2cm、宽3cm、高30cm，并利用下游尾水板控制上游水深，使水槽内水深不高于实验铝板，为一非淹没式丁坝模拟。
因Nawachuku实验水槽长度过长，故本研究选用丁坝上下游各6m处做为模拟区段，其他设置皆与Nawachuku实验相同，上游平均流速为0.253（m/s），入流水深0.3m，约155000个网格点，时间间距为0.05s，运算总时数120s。
2.2.2 Tominaga et al.
此实验使用实验水槽长8m、宽0.3m，实验水深0.09m，渠道底部与两侧为光滑平面，将试验丁坝布置在水槽中段左岸，试验丁坝长0.15m、宽0.03m、高0.05m，并控制上游水深使水槽内水淹没实验丁坝，为一淹没式丁坝模拟。本研究模拟范围与此实验区段规模相同，上游平均流速为0.1（m/s），入流水深0.09m，约125000个网格点，时间间距为0.05秒，运算总时间100秒。
2.3 实验结果与验证
2.3.1 Nawachuku
在右岸离岸壁y/L=1，1.5，3，4处，从x=0.92m到x=3m测量水面流速，L为丁坝长度。检定结果误差如公式，由取出所有点以模拟值与实验值相减取绝对值除以实验值总和，最后除以所有取出点，与Nawachuku实验数据及模拟值比较，在y/L=1，1.5，3，4误差分别为2.76%，3.67%，3.45%，4.3%；与Yazdi et al. （2010）相比误差分别为 0.36%，0.72%，0.53%，0.23%。
■ （1）
结果显示，在靠近丁坝区域模拟皆有不错的表现，唯有在y/L=4远离丁坝处会有较大误差，因为在同样流场变化区域内网格并未加密，导致有较大误差，但整体上与实验相比算是有相当不错的成果。
2.3.2 Tominaga et al.
如图1所示，分别在D1（x=4.0m，z=0.07m）、D2（x=4.1m，z=0.01m）、D3（x=4.05m，z=0.02m）、D4（x=4.05m，z=0.07m）取出流速。检定结果误差计算如公式（1），与 Tominaga et al.相比在D1到D4误差分别为1.92%，8.18%，0.55%，6.22%：与Yazdi et al. （2010）相比误差分别为0.22%，0.14%，0.56%，0.43%。从模拟结果来看在D1跟D3两个方向模拟成果相当不错，但是在D2水深较深的地方成果比较不好，其原因在于在水深较深处受边界层效应影响，使得流况更为复杂，需要更精细的网格才能模拟得更好，而在D4可受到自由液面交换所导致。但从两个实验模拟比较结果，FLUENT在渠道模拟结果有不错的表现，参数也可使用于后续研究。
■
3 数值模拟结果讨论
3.1 模拟管道案例
设计管道模拟试验，其说明如下：
①模拟管道为长15m、宽0.4m的水槽，取水槽中段 3m长度作为本次模拟的范围。
②入口处流体体积进口时采用1做起始条件，即入口空气体积与水体积比1：1，而后由模式自行运算自由液面。
③第一支丁坝架设在水槽中段与右岸壁垂直相交，离上游边界1.5m处，第二支架设在其后方0.24m处。
④模式运算从水流进入试验段到水流流出水槽为止。
上述试验条件为基本案例，分别改变丁坝长度（L）、丁坝间距（D）及上游流速（V），来探讨丁坝间的流场行为。
3.1.1 坝长改变
从图2中可以发现，随坝长增加影响水流加速区域将急速变大，往左岸处集中，在短丁坝QDL1案例中区域流速从0.15（m/s）提升到0.391（m/s）；在QDL2案例中区域流速约为0.790（m/s）；在长丁坝QDL3案例中区域流速从0.15（m/s）提升至0.933（m/s），而回流范围在QDL1案例中由于丁坝长度较短，整体回流范围局限在丁坝附近，对于整体流场影响较小，而在QDL3中由于丁坝长度较长，将加速区域往左岸推出，使得回流范围影响范围变大，对整体流况有着极大影响。
从涡度来看，在QDL1中局部涡度提高集中在坝头附近区域，涡度值约在14.3（l/s）；在QDL2中，涡度值约在18.3（1/s）；在QDL3中，涡度值约在37.3（1/s），在坝头附近有很强烈涡流效应，此现象与真实情况符合，当涡度强烈区域会对底床产生强烈掏刷现象，而掏刷将集中在坝头附近，随着丁坝往河中延伸，此效应将会被放大。
从流线来看，在QDL1中流线主要朝着下游前进，并未随着坝的架设而有大幅改变，且在第一支丁坝前小涡流现象并不明显；此现象在QDL3时就很明显，流线往左岸大幅集中，而第一支丁坝前小涡流变得非常明显，整体流场现象非常强烈。
3.1.2 间距改变
从速度来看，局部加速效应并没有随丁坝间距变大而有明显改变，依然维持0.87~1.15（m/s）附近，在案例QD1L中水流受第二支丁坝影响，在坝体间回流打转，在QD2L中发现在过坝体后，会渐渐恢复成直行状态，在碰到第二支丁坝再次产生一回流现象，此回流区域会与前面回流区域相互影响；在QD3L案例，由于间距拉大后，第一支丁坝与第二支丁坝关系变小，两者影响范围开始分离。
在涡度方面，案例QD1L坝头涡度来到4.31（1/s），由于两支丁坝摆设较近使得坝头冲刷更为剧烈，原本坝头的冲刷行为会呈带状延续到后面一支，随着间距拉开，在案例QD2L与QD3L中坝头涡度值并没有改变太多，依然与QD1L案例相差不大，但是范围也开始集中在坝头附近，并未延续到下一支丁坝，产生带状影响。
从流线来看，在QD1L案例中涡流产生在第二支丁坝前面，因为当水流过丁坝后，水流原先要在第一支丁坝后形成涡流，受到第二支丁坝阻挡反弹而在第二支坝前形成涡流；随着间距拉大，第二支丁坝坝前涡流与第一只坝后涡流开始分离，在QD2L案例还有些许交互影响，但是在QD3L就很明显分离成两个涡流。
3.1.3 流量改变
Q1DL案例中低流速时，水流受丁坝影响整体速度改变从0.12（m/s）增加到0.193（m/s）；案例Q2DL中，速度从0.135（m/s）增加到0.242（m/s）；案例Q3DL中，从0.15（m/s）增加到0.323（m/s），且流速改变区域较低流速时更广泛，一直绵延至第二支丁坝后，而在低流量则较为集中于丁坝区域。然而在高流量下较低流量剧烈许多，整体而言依然是在坝头有着较为剧烈的冲刷，而流线在高流量下在过丁坝后会明显往左岸集中，使得局部加速行为更明显。
3.2 模拟结果分析
综合前面三个实验，我们可以得到表1结果：
■
由表发现流量改变，对于整体流场改变影响最不显著，而间距与坝长改变对于整体流场却有极显著影响；而保护长度（Lp）定义在于水流经过丁坝群后能保护区域长度，丁坝个别回流长度如有彼此相互覆盖，则视同整体回流区域保护长度；但当丁坝间距过大，两丁坝中间没有交互影响的话，保护长度则只会是单支丁坝产生的回流长度。
本文将坝长与河宽比（L/B）为取10%、20%及30%结果，发现当L/B=30%时，虽然保护长度较长，但坝头流速急速增加，对底床深效果强，所以若将丁坝长度再往河中心延伸，则需要对坝头区域做局部抗冲刷行为；当L/B等于10%时，坝头流速情形没有像高L/B那样，涡度向下旋转行为也未如此强烈，对底床刷深效果较小，保护的区域较为有限。大于L/B10%后，坝头流速增加趋势明显，当丁坝过长时则易使河道束缩，造成河道有局部刷深的可能。
间距方面，规范在D/L=1.5~8.0之间，因此在相同入流条件及L/B=20%，不同间距情形下发现如果间距过短，坝头流速将局部提升，涡度效应有所增加，对于丁坝坝头将产生冲刷，需对其做保护措施；随着间距拉大，坝头流速开始下降，保护长度也有提升，但当间距超过丁坝长度5倍（0.4m）时，保护长度并没有随之提升，反而开始缩短，当间距过大，超过原先第一支丁坝所具有的保护长度，然则第二支丁坝将与第一支丁坝没有交互作用，使得第二支丁坝开始慢慢回复成单支独立状态。
而在相同入流条件及L/B=20%的情况下，改变上游流速发现随着流量增高保护长度会有提升，但是提升幅度却没有改变坝长或是间距有效果，且涡度会大幅提升增加水流下向下刷深效应，对于丁坝与底床都需要做额外保护措施。
将丁坝长度、上游流况与丁坝间距做线性回归后，得到回流长度Lp与坝头涡度ω关系式分别如下：
■（2）
■（3）
当丁坝为淹没式时，在本研究实验范围B/L=（10%~30%）、3L?芨D?芨9L内，这两个公式可用来推导丁坝摆设对于坝头冲刷严重程度以及丁坝保护能力，但仍能提供对坝头区域做加强抗冲刷及保护岸壁施工法及丁坝摆设初步的参考依据。
4 结论
丁坝长度与坝头冲刷有明显关系，当L/B过长时，对于整体流场行为改变将非常剧烈。丁坝间距拉大，坝头流速会有减缓趋势，保护岸壁的长度也会拉长，但当超过坝长五倍，两丁坝间交互行为会趋于薄弱。当丁坝为淹没式时，上游流量改变对于整体流场行为改变显著，同样丁坝摆设情形，高流量会比低流量对于侧向有更好的保护效果，但向下刷深情况却会加剧。丁坝长度会大幅改变加速区域的范围，因此当L/B超过30%后，需要考虑对向岸壁与底床刷深的影响。
公式（2）和（3）可作为未来工程规划上的初步考量，在适当条件下，能对丁坝主体安全与河床安全有更简单的参考。
参考文献：
[1]杨海英，卢敏.淹没式丁坝三维流场数值模拟研究[J].山西建筑，2015（19）.
[2]杨兰，宁健，白夏.丁坝流场及局部冲刷的数值模拟研究[J].蚌埠学院学报，2016，5（4）.
[3]宁健，李国栋，马淼.丁坝绕流流场及局部冲刷三维数值模拟研究[J].水动力学研究与进展A辑，2017，32（1）.
[4]李义田.等离子枪体内部水流场和气流场的数值模拟[J].价值工程，2013，32（31）：311-313. |
