Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2025 , Vol. 42 >Issue 7: 112 - 118

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240262

Hydraulics

Flow Regulation Characteristics of Active Flow-Regulating Vanes in U-Shaped Bends

  • LI Lin , 1, 2 ,
  • ZHANG Jing-kai , 1, 2 ,
  • ZHANG Lu-guo 3 ,
  • CHI Miao-miao 4 ,
  • XIAO Yu-lei 4
Expand
  • 1 College of Hydraulic and Civil Engineering,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China
  • 2 Xinjiang Key Laboratory of Hydraulic Engineering Security and Water Disasters Prevention,Urumqi 830052,China
  • 3 Urumqi Branch,Beijing Zhongshuilide Technology Development Co.,Ltd.,Urumqi 830032,China
  • 4 Mainstream Administration Bureau of the Tarim River Basin, Xinjiang Uygur Autonomous Region,Korla 841000, China

Received date: 2024-03-21

  Revised date: 2024-06-14

  Online published: 2024-12-27

Fold

Abstract

[Objective] To address the issue that conventional river regulation structures struggle to dynamically adapt to the highly variable characteristics of natural rivers, this study develops an innovative active flow-regulating vane system. [Methods] The system combined a vertically adjustable and rotatable vane structure with a remote intelligent control module. It allowed real-time monitoring and dynamic adjustment of flow parameters, thereby overcoming the limitations of traditional fixed structures such as spur dikes and deflector vanes. To investigate its applicability in curved river channels, the flow-regulating vanes were arranged in a 180°U-shaped bend model. The verified RNG k-ε turbulence model and VOF method were used to conduct numerical simulations of the bend’s flow field characteristics before and after the vane installation. The impact of the flow-regulating vanes on the hydrodynamic structure of the bend was analyzed. [Results] 1) Numerical results showed that when the top of the flow-regulating vanes was flush with the free water surface (at a flow rate of 7.9 L/s), the longitudinal velocity near the convex bank region increased by 21.67% compared to the original bend, while the maximum transverse velocity in the central region decreased by 70.33%, effectively weakening the transverse circulation. When the vanes were submerged to 0.3 times the water depth (at a flow rate of 15.8 L/s), the longitudinal velocity still increased by 13.64%, and the transverse velocity decreased by 37.63%. 2) Analysis of the flow field structure revealed that the vanes could split the original single clockwise vortex circulation structure within the bend into two vortices rotating in the same direction, which reduced the flow’s kinetic energy, lowered the circulation velocity, and decreased transverse sediment transport. 3) The distribution of bed shear stress showed that, after the installation of the flow-regulating vanes, the bed shear stress within the bend was uniformly distributed along the convex bank side, which helped alleviate sedimentation on the convex bank while avoiding concentrated scouring. Moreover, the suspended design of the vanes reduced flow obstruction at the bend bottom, solving the sedimentation problem caused by decreased flow velocities around traditional structures fixed to the riverbed, making it a viable option for flow regulation in hardened bend channels.

Key words： active flow-regulating vanes; u-shaped bend; RNG k-ε turbulence model; VOF; hydraulic characteristics; numerical simulation

Cite this article

LI Lin , ZHANG Jing-kai , ZHANG Lu-guo , CHI Miao-miao , XIAO Yu-lei . Flow Regulation Characteristics of Active Flow-Regulating Vanes in U-Shaped Bends[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025 , 42(7) : 112 -118 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240262

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

天然河道泥沙输移引起的河岸侵蚀与淤积问题是河道治理主要问题。明渠弯道水流是自然界及水利工程中常见的流动形式,径向梯度力和离心力使得流体沿弯道横断面形成横向环流,环流挟带从凹岸冲刷和崩塌地泥沙向凸岸运动,形成河岸侵蚀和河床变迁。
为优化弯道水流结构,增加河道稳定性,前人开展了大量丁坝、锁坝等型式的河道整治技术研究。周宜林等[1]通过三维数值模拟,研究了非淹没丁坝附近三维水流运动特性;文岑等[2]通过分析锁坝下游的冲刷机理,导出了锁坝下游冲深公式。而导流叶片是由Odgaard等[3-4]提出的一种护岸建筑物,因其具有构造简单,造价低廉等优点而被研究应用。王文野等[5]、姚仕明等[6]基于原型观测与模型试验,探究了导流叶片在河道治理中的工程应用效果。陶建福等[7]、黄进坤等[8]、Pagliara等[9]研究了导流叶片的导流特性,获得了叶片冲刷参数方程;Biswas等[10]通过U型弯道水沙试验发现叶片可以改变明渠弯道的流态,从而改变河床形态。
传统河道整治技术多固定于河道底部,通过降低近岸流速,达到保护河岸的目的,但治理设施背水面剪切力较小,易产生泥沙淤积,造成设施失效,为此本课题组研发了一种新型河道整治技术——主动调流桨片系统[11],该系统由中心柱系统、调流桨片系统、调流桨片升降旋转系统、视频监控系统、远程通信控制系统共5部分组成,除中心柱系统外,其他系统均可单独拆卸,方便河流改道时进行回收使用。中心柱单柱结构为钢筋混凝土灌注桩,伸入河床深处,在各种设计工况下,可保持装置的稳定。调流桨片为长方形,通过视频监控河流状态,由通信控制系统调控升降旋转系统使调流桨片在中心柱升降、旋转。根据流速、管理需求的变化,改变调流桨片高度、角度,调整水流流速、流向,实现河道智慧化管理。
为探明调流桨片在弯道河流中的适用性及对弯道水流的调流作用机制,本文采用数学模型对180°U型弯道内布设主动调流桨片的水动力特性进行研究,对比布设调流桨片前后弯道水流特性,为调流桨片在弯曲型河道整治应用提供参考。

1 数学模型

本文采用ANSYS Fluent软件中的水气两相RNG k-ε湍流三维数学模型模拟弯道内水流流场[12],采用有限体积法对计算区域进行空间离散,选用SIMPLE算法进行压力速度耦合求解。边界条件为:弯道进口为入流边界,设定速度进口边界;弯道出口为出流边界,设定为压力出口边界,弯道床面、边壁以及调流桨片为固壁边界,采用无滑移边界条件,当迭代残差曲线低于1×10-4和弯道进出口流量差值低于5%时,可判定计算稳定。

2 数学模型验证

2.1 U型弯道布置型式

本文采用文献[13]中U型弯道物理模型试验结果进行数学模型的验证,并在此模型上进行后续调流桨片调流特性研究。U型弯道模型结构尺寸为:弯道宽度B=30 cm,高度H=50 cm,弯曲段内径r=15 cm,外径R=45 cm,断面编号由弯道角度命名,从弯道入水至出水为D0—D180,具体如图1所示。为便于结果分析,在弯道段间隔15°设置一个断面,选取D45、D60、D90、D135断面为典型断面进行分析。在每一断面上沿径向间隔0.125B设置垂直测线,共7条。沿弯道径向将横断面划分为凸岸区(0.125B~0.375B)、中心区(0.375B~0.750B)和凹岸区(0.750B~0.875B)。
图1 U型弯道断面布置

Fig.1 Cross-sectional layout of U-shaped bend

2.2 网格无关性分析

计算区域网格剖分如图2所示。为消除网格分辨率对计算结果的影响,采用7种网格数量进行模拟计算,进口流量7.9 L/s。各网格数量下特定点(1.7、0.7、0.025 m)处的时均速度如图3所示。由图3可知,当网格数量从60万增加至70万时,特定点流速趋于定值,当网格数量>70万,特定点流速维持恒定。因此选择网格数量75.75万进行以下模拟计算。
图2 局部网格剖分效果

Fig.2 Visualization of local grid discretization

图3 同一点位处流速随网格数量的变化

Fig.3 Variation of flow velocityat the same point with different grid numbers

2.3 数学模型验证

对流量Q=70 L/s工况进行模拟,弯道上游进口水深30 cm、断面平均流速77.8 cm/s;下游出口水深28 cm。为减小上下游进出流对弯道水流的影响,将Shukry弯道试验上、下游顺直段水槽加长至12倍槽宽(360 cm)。图4为数值模拟结果与文献[13]的实测数据对比。由图4可知,在进入弯道前,水槽内断面平均流速为80 cm/s,凸岸上游流速开始逐渐增大,在断面D0凸岸侧流速增至110 cm/s,凹岸流速逐渐减小至60 cm/s;进入弯道后凸岸出现高速流区且偏向上游,在弯顶凹岸流速减小至最低,过弯顶后水流脱离凸岸边壁,在断面D180后凸岸形成回流区。数学模型计算得到的流速分布与文献[13]的实测结果基本一致,表明所建立的数学模型合理可行,可用于本文弯道水流的计算。
图4 弯道内平均流速计算值与实际值的对比

Fig.4 Comparison between calculated and measured average flow velocities within bend

3 计算工况

模拟工况见表1。调流桨片可通过升降旋转系统调节调流桨片的角度和高度,但本文旨在探明调流桨片在弯道中的调流作用,故模拟计算中未考虑调流桨片的角度和高度的变化,具体布置见图5,中心柱布设于弯道水槽中轴线与断面D45交点处,中心柱为以底面为正方形(边长0.2 cm)的长方体。调流桨片安装于中心柱上,桨片高h=4 cm,长 l=12 cm,宽b=0.2 cm,偏转角a=15°,桨片底距弯道床面ha=2 cm;当流量Q=7.9、15.8 L/s时,桨片顶部分别位于自由面和自由面以下0.3H水深,H为上游进口水深。
表1 模拟工况参数设定

Table 1 Parameter settings for simulated operating conditions

方案
工况		 流量/
(L·s-1)		 调流设施 入口水
位/cm		 出口水
位/cm		 入口流速/
(cm·s-1)
1 Q1= 无调流设施 6.5 5.5 40.51
2 7.9 设置调流桨片 6.5 5.5 40.51
3 Q2= 无调流设施 10.0 8.0 52.67
4 15.8 设置调流桨片 10.0 8.0 52.67
图5 调流桨片局部布置

Fig.5 Local arrangement of flow-regulating vanes

4 结果分析与讨论

4.1 沿程水流动力轴线分析

图6为不同工况下的水流动力轴线。从图6可知,原弯道上游段水流动力轴线基本位于中轴线处,经过一段距离后,受惯性离心力作用动力轴线逐渐向凸岸偏移,至弯顶动力轴线贴近凸岸,弯顶下游动力轴线偏离凸岸并逐渐偏向凹岸,出弯道后由于惯性作用主流线依旧偏向凹岸,导致凹岸下游冲刷。布设调流桨片后,水流动力轴线向凹岸偏移的位置不同,在流量Q1=7.9 L/s时,断面D150上游布设调流桨片水流动力轴线位置与原弯道基本一致;在断面D150下游,布设调流桨片水流动力轴线较原弯道提前发生偏移并向中轴线靠近、恢复顺直明渠流形态。随流量增大,调流桨片对水流动力轴线的调整作用愈加明显,在流量Q2=15.8 L/s时,水流动力轴线在断面D60下游便开始向凹岸偏移。
图6 水流动力轴线

Fig.6 Hydrodynamic flow axis

上述结果产生的原因是调流桨片偏转一定角度使桨片至弯道凸岸区域过流面积减小,流速增大,水流动力轴线提前出弯,使主流提前远离凹岸向中轴线靠近,减小水流出弯后对弯道凹岸的冲刷。

4.2 纵向流速垂线分布

典型断面纵向流速沿垂线分布如图7所示,横轴为纵向流速U与进口断面平均流速u之比,纵轴为测点水深z与进口断面水深H之比。
图7 断面纵向流速垂线分布

Fig.7 Longitudinal velocity distribution along vertical line across section

由图7可以看出,沿垂线纵向流速由底至表呈增大趋势,在原弯道内纵向流速分布呈对数分布。布设调流桨片后,至断面D60,调流桨片附近中心区(0.500B)纵向流速明显降低、两岸附近(0.125B、0.875B)流速增大,至断面D90及下游断面中心区(0.500B)纵向流速逐渐与原弯道流速相等,这是由于受桨片导流影响凸岸区流速增幅大于凹岸区所致。在断面D90处,当Q1=7.9 L/s时,布设调流桨片后凸岸区测线0.125B的纵向流速平均增大了21.67%,凹岸区测线0.875B的纵向流速平均增大了18.56%;在断面D135处,当Q2=15.8 L/s时弯道流速增大导致转弯处的离心惯性力大,流速增加最为明显,布设调流桨片后凸岸区测线0.125B的纵向流速平均增大了13.64%,凹岸区测线0.875B的纵向流速平均增大了7.11%,纵向流速的增加可促进上游来沙的起动,减少泥沙沉积。
调流桨片在小流量时的调流效果优于大流量,这是由于渠道沿水深方向纵向流速分布呈表大底小分布,小流量(Q1=7.9 L/s)时调流桨片顶部与自由面齐平,可将表面较大流速的水流导向凸岸;而大流量(Q2=15.8 L/s)时,渠道内水深增大,桨片位置不变,桨片被淹没于水面以下0.3H水深处,桨片只将凹岸水面下0.3H~0.7H较小流速的水流导向凸岸。

4.3 弯道环流结构分析

弯道典型断面横向环流分布如图8所示,横坐标中x/B=0为凸岸,x/B=1为凹岸。图中箭头为断面环流方向,环流速度为横向流速和垂向流速的合速度,横向环流是凹岸河床不断冲刷的主要原因之一[14]。流量Q=7.9、15.8 L/s时调流桨片对环流分布的影响规律一致,故本文仅对流量Q1=7.9 L/s的断面横向环流分布规律进行分析。由图8可以看出,原弯道中,主涡核在弯道上半部(断面D30)偏向凹岸,随水流向弯道下游(D90)行进偏移至中心区,继而偏向凸岸。
图8 断面流速与横向环流分布

Fig.8 Velocity and transverse circulation distribution at cross-section

布设调流桨片后,主涡核在断面D30时就已经在中心区,随水流向下游行进(D45)分解为2个主涡核,环流流速明显减小。这是由于调流桨片将横断面环流截断,形成2个旋转方向相同的涡体,增强了水流紊动。至断面D135时凹岸涡体衰减,凸岸涡体发展,继而融合成一个涡体。在涡体分解、融合过程中耗能增加,降低弯道环流流速,从而减轻了对凹岸的冲刷。

4.4 横向流速垂线分布

典型断面横向流速沿垂线分布如图9所示,横轴为横向流速V与进口断面流速u之比,流速以指向凸岸为正,指向凹岸为负。
图9 断面横向流速沿垂线分布

Fig.9 Vertical distributions of transverse velocity at cross-section

由图9可以看出,在同一流量下,调流桨片对水流横向流速的影响由断面D60持续到D135。在凸岸区(0.125B测线),原弯道与设置调流桨片在断面D60横向流速基本相同(如图9(a)),至D90断面,z/H>0.25时,设调流桨片后指向凹岸的水流流速大于原弯道,而z/H<0.25时指向凸岸的水流流速小于原弯道,这是由于受调流桨片的影响,凸岸纵向流速增加,弯道离心力增大,导致上部横向流速增大而下部横向流速由于2个顺时针的涡在弯道中心区时发生了碰撞,造成能量损失,减弱了凸岸区底部横向水流的发展。随水流发展,调流桨片作用的影响逐渐减弱,至D135已明显减弱。
调流桨片对中心区(0.5B测线)横向流速影响较明显,横向流速在调流桨片所在高度区域明显减小。在断面D90处,当流量Q分别为7.9、15.8 L/s时,布设调流桨片后指向凸岸和凹岸的最大横向流速较原弯道分别减弱了61.43%和70.33%、31.87%和37.63%;指向凹岸的横向流速减小幅度较指向凸岸增加8.9%和5.76%,且大流量下布设调流桨片的流速降幅较小流量平均减弱31.13%,说明桨片对横向流速的减速效果与其布置高度有关。因此在各级流量下,调流桨片顶端均应与自由面齐平。在凹岸区(0.875B测线),布置调流桨片后横向流速与原弯道相比变化并不明显。
综上,调流桨片作用主要是降低中心区和凸岸区底部的横向流速(方向为凹岸至凸岸),减小上游来沙的横向输移,而被弯道主流冲至下游。

4.5 床面剪切力分析

流量Q1=7.9 L/s时原弯道与布设调流桨片后的床面剪切力分布如图10所示。由图10可知,原弯道和布设调流桨片的床面剪切力均为从凹岸至凸岸逐渐增大,布设调流桨片后床面剪切力较原弯道增大,尤其在凸岸区域床面剪切力增加明显。如在流量Q1=7.9 L/s时,原弯道中剪切力>1 Pa的区域集中在断面D15至D90凸岸区域(0~0.125B),最大剪切力集中于断面D54凸岸,故造成水流集中冲刷A区域(见图10(a))引起弯道形态的进一步发育。布设调流桨片,弯道水流受桨片调流作用,凸岸区水流流速增大,剪切力>1 Pa的区域随之增大,均匀分布在断面D30至D165的凸岸区域(0~0.2B)。因此布设调流桨片后剪切力分布沿凸岸一侧均匀分布,既改善了凸岸的淤积亦避免了水流的集中冲刷。调流桨片(图10红色虚线区域)与床面由中心柱固定,桨片下缘与床面之间净空减小了桨片的阻水作用,仅在中心柱后出现了小范围床面剪切力的减小,其余区域与原弯道床面剪切力分布基本一致。而传统丁坝、导流叶片等,因其固定在河床底部,下游床面出现大范围剪切力减小,泥沙淤积现象。
图10 床面剪切力等值线分布

Fig.10 Contours of bed shear stress

5 结论

本文通过三维数学模型模拟了180°U型弯道设置调流桨片前后的水流流场,对比了不同流量下布设调流桨片前后弯道内水流动力轴线、纵向流速、横向流速、环流分布和床面剪切力特性,主要结论如下:
(1)弯道内布设调流桨片可调整弯道内水流流速分布,且调流桨片顶部与自由面齐平时,其调流作用最显著,因此实际应用时,应随流量变化调整桨片顶部至自由面齐平。
(2)布设调流桨片后U型弯道凸岸区纵向流速增大,阻断横向环流,减小弯道中心区和凸岸区底部由凹岸至凸岸横向流速,在流量Q1=7.9 L/s(桨片顶与自由面齐平)和Q2=15.8 L/s(桨片被淹没)时,凸岸区纵向流速较原弯道时分别增大21.67%和13.64%,最大横向流速分别减小了70.33%和37.63%。
(3)调流桨片可将弯道内单涡水流结构分解为双涡,降低环流流速,减少泥沙横向输移;弯道内水流纵向流速和床面剪切力增大,泥沙不易在弯道凸岸淤积。此外,调流桨片悬空式设计对其附近床底剪切力影响较小,可作为四周硬化弯道的调流选择。

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