非对称波状底床上泥沙输移探究

　　第十二届中国海岸工程学术讨论会论文集345非对称波状底床上泥沙输移探究缅，袁志达（中国科学院力学研究所，北京100080）摘要：通过非对称波状底床上振荡流场特征的实验，研究了两种典型的非对称形状下的速度场和涡量，得到了两种非对称底床上的涡强度随时间的变化特征以及缓坡段和陡坡段的涡心轨迹，探讨了非对称形状对泥沙输移带来的影响。关键词：非对称波状底床;振荡流;涡强度;泥沙输移现场观测表明，浅水海域底床是不平的，存在着各种不同尺度的波状沙体，而且大多以非对称形式呈现。在潮流、波浪等水动力作用下，这些非对称的波状沙体是不稳定的，并以一定的速率移动。由此带来一系列问题，比如，由于沙波运动，通过沙波区的海底管线或者被淹没或者被裸空，给管线安全带来隐患；海运航道会由于沙波移动而堵塞；海底的二次污染；海岸线演变等等。从涡动力学可知，当水流过非平底床时底床形状直接关系到在壁面附近涡的发生、发展，涡流场的性质决定着泥沙运移速率及方向。因此研究非对称波状底床下的泥沙输移显得尤为重要。目前国内外无论是从数值模拟还是模型实验都是针对对称波状底床[1-5]，对非对称波状底床的流场性质知之甚少。本文通过型水槽实验对振荡流下两种典型的非对称形状底床流场特征进行了研究，并着重讨论了由此带来的泥沙净输移。实验模拟本文实验是在中国科学院力学研究所的型振荡水槽中完成的。U型水槽为气驱动式，由体和驱动装置两部分组成（图1）。本体包括两个垂直段，两个弯曲段和一个水平实验段。本体的水平长度2.12m，垂直高度1.5m，实验段长度0.6m，垂直段及实验段截面均为正方形，截面积为0.2m0.2驱动装置包括蝶阀、送气管道、风机和调节阀门等。水槽本体及送气通道等均由有机玻璃板加工制成。为减少气流对流场的干扰，并防止外界空气中的灰尘进入U管水中，风机的送气方式采用抽气方式，保证了振荡水面平稳和水质洁净。在一侧垂直段安装的压力传感器，将水压信号经A/D板输入计算机，通过自编的采集程序，可以准确实时监测振荡幅值。该U型水槽内流场满足：u(t)=awsin(wt)，a为振荡幅值，在5~20cm范围内可调，ω为振荡频率（U型水槽的振荡周期为2.6型水槽整体示意图本文着重考察不同陡峭度情况下流场特征，因此采用了波高波长相同但形状不同的两种非对称波状底床，它们分别满足以下关系式：非对称底床－1（正弦+余弦）（ASC）：346第十二届中国海岸工程学术讨论会论文集20)]20/1020cm，波长λ为10cm。底床可分为缓坡段和陡坡段，两段比例为2:1。很明显，缓坡段方程形式一样，陡坡段分别为指数形式和余弦函数形式（图2）。底床由聚苯乙烯泡沫材料加工制成。该材料具有易加工成型、不易变形等优点。非对称底床采用粒子图像测速仪（PIV）对流场进行测量，测量方法参见文献[6]。考虑了四种不同振幅，K-C数从1/2到1.15不等，雷诺数（，其中ν为水的运动黏性系数）从6.010~3.210，Taylor数实验参数振幅/cmReTaK-C5.06.0101.940.57.01.2103.830.79.52.2107.040.9511.53.21010.281.15实验结果图3和图4分别是一个振荡周期内两种非对称底床上涡量图。开始水流从左到右。很明显，ASE底床上，速度比较小时，沿着底床表面“搓”出一涡层。随着速度的增加，在背水侧水流发生分离，脱落出一个完整的涡结构（顺时针方向旋转，定义为负涡），并且涡强度随时间变化。随着流动转向，漩涡被向上抛起，并顺着水流向左运动。同时在底床缓坡侧表面”搓”出壁涡，并随着主流场流速的变化而变化。当相位角接近340时，有一个逆时针旋转的涡与壁面分离（定义为正涡）。随着下个周期的到来，正涡又被带入右边。很明显，一个周期内在缓坡段和陡坡段都有涡结构形成、分离以及漂移。这种不对称流场影响着底床第十二届中国海岸工程学术讨论会论文集347附近泥沙输移。同样在ASC底床上，涡的形成、发展及消散过程与ASE底床类似，但涡的强度及分离时间不同于ASE底床，下面通过涡强度及涡轨迹给出定量结果。ASC底床上一个周期内涡量场分别测量了四种振幅情况下涡强度。跟踪陡坡段负涡和缓坡段正涡，得到两种底床上一个周期内涡强度随时间变化规律，如图5、图6所示。图中点为不同振幅下的实验点，实线和虚线分别对应负涡和正涡在四种振幅下的平均值。可以看出同一种底床上正负涡的最大涡强度相差很大，ASE底床相差将近300mmASC底床相差200mm/s，由此可以推测ASE底床的输沙能力比ASC底床强。图7和图8分别是两种非对称底床正负涡轨迹。比较发现，两种非对称底床上涡心位置的最终漂移距离与加载振幅和底床形状有关，并且振幅相同情况下，ASE底床上不论是x方向还是y方向的涡心漂移距离均小于ASC底床。ASE底床上，涡所达到的最大高度与加载振幅无关，ASC底床上，涡所能到达的最大高度与加载振幅相关。ASE底床涡强度随相位变化曲线第十二届中国海岸工程学术讨论会论文集(a)振幅2a=10cm(b)振幅2a=14cm(c)振幅2a=19cm(d)振幅2a=23cm指数非对称底床上流场涡心运动轨迹图(a)振幅2a=10cm(b)振幅2a=14cm(c)振幅2a=19cm(d)振幅2a=23cmASC底床上流场涡心运动轨迹图为了考察非对称形状对泥沙输移的影响，除了考虑前面两种非对称底床之外，还加了一种对称底床。实验中采用泥沙粒径范围0.1～0.5mm。称一定重量沙粒均匀地撒在波状底床表面上。经过充分振荡，待床面上的沙粒完全被输移到水槽工作段两侧的弯曲段附近后，停止振荡。收集水槽两个弯曲段沙粒，烘干称重。同样实验进行了4次，说明重复性很好。实验结果见表2。注意表2中，缓坡段和陡坡段总和与总重量还相差大约30g，其原因是由于在底床中部有遗漏。第十二届中国海岸工程学术讨论会论文集349不同底床形状下输沙对比表（粗砂）底床特征总重量/g缓坡段/g陡坡段/g比例近似ASE1601211210:1ASC16090389:4对称16068721:1上述实验表明，底床形状对泥沙输移起到非常关键的作用。对称底床基本上没有净输移，非对称底床的泥沙净输移与底床形状不同密切相关。ASE底床净输移大约109g，ASC底床为52g。很明显，ASE底床的净输沙基本上是ASC底床的一倍。根据涡动力特性分析，得知在振荡流动过程中，两种底床因为其平缓侧形状相同而产生的涡强度也基本上一样，而在底床陡峭侧形成的漩涡强度相差100mm/s，因此掀沙能力也不同，造成非对称床面上泥沙向两侧输移不均匀。再从涡运动轨迹上考察，已知ASC底床上的涡轨迹不仅漂移距离远，而且漂移的高度也超过ASE底床，但是其输沙能力似乎并没有提高。究其原因认为这是由于选择的粒径太大造成的，因此又选取粒径为0.004~0.01mm粉沙进行实验，其结果见表3。从表3明显看出ASE底床基本上保持不变，但ASC底床的净输沙能力增强。 不同底床形状下输沙对比表（粉沙）底床特征 总重量/g 缓坡段/g 陡坡段/g 比例近似 ASE 160 115 16 10:1 ASC 160 98 29 10:3 通过对非对称波状底床上的振荡流场实验研究，揭示了波状底床上以涡运动为主导的流场特征，分析了负涡和正涡随时间变化规律及运移轨迹，探讨了底床形状对泥沙净输移的影响，认为涡强度大小决定着 粗砂的净输移，而在细砂情况下，涡强度及其漂移距离决定着净输移。 参考文献: bottomboundary layer dynamics moveablebed usingenhanced PIV technique. Coastal Engineering Journal, 2001, 43(4): 239-258. BlondeauxP,Vittori Vorticitydynamics oscillatoryflow over rippledbed. Journal FluidMechanics, 1991, 226: 257-289. ripplebed vortices. Experiments Fluids,1998, 25(3): 265-275. MalarkeyJ,Davies Discretevortex modelling oscillatoryflow over ripples. Applied Ocean Research, 2002, 24: 127-145. Particleimage velocimetry (PIV) analysis oscillatoryflow field above self-formed vortex ripples. 2003, Master Sciencethesis, University