新型堵口装置抛投过程中纵向漂距的数值模拟及试验_刘俊谊.pdf
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1、 第2卷 第1期V o l.2 N o.1 2 0 2 3年2月 J o u r n a l o f A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A F e b.2 0 2 3新型堵口装置抛投过程中纵向漂距的数值模拟及试验刘俊谊,洪 娟,焦经纬,程建生,陈启飞(陆军工程大学 野战工程学院,江苏 南京 2 1 0 0 0 7)摘要:介绍了一种新型装配式快速堵口装置,其可用于形成临时坝体结构来解决堤坝决口的封堵问题。受水流的影响,堵口装置在抛投过程中会沿纵向移动一定的距离,这将对堵口装置的排列及形成稳定的坝体结构产生不利影响。
2、对此,基于计算流体动力学(c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s,C F D)建立了堵口装置下落过程的三维数值计算模型,并通过模型试验对其合理性和有效性进行了验证。然后,研究了水深、流速、装置质量等因素对堵口装置纵向漂距的影响。数值计算和模型试验结果表明:堵口装置的纵向漂距随流速、水深增大非线性增大,随质量增加非线性减小;当处于同一入水深度时,堵口装置在浅水条件下的水平位移较深水条件下的更大。关键词:防汛抢险;堤坝决口;堵口装置;纵向漂距;计算流体动力学 中图分类号:T V 8 7 7D O I:1 0.1 2 0 1 8/j.i
3、 s s n.2 0 9 7-0 7 3 0.2 0 2 1 1 1 0 9 0 0 5N u m e r i c a l S i m u l a t i o n a n d E x p e r i m e n t a l I n v e s t i g a t i o n i n t oL o n g i t u d i n a l D i s p l a c e m e n t o f N o v e l C l o s u r e D e v i c e i n C a s t i n g P r o c e s s L I U J u n y i,HONG J u a n,J I AO
4、 J i n g w e i,CHE NG J i a n s h e n g,CHE N Q i f e i(C o l l e g e o f F i e l d E n g i n e e r i n g,A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A,N a n j i n g 2 1 0 0 0 7,C h i n a)A b s t r a c t:A n o v e l p r e f a b r i c a t e d r a p i d c l o s u r e d e v i c e i s p r
5、o p o s e d i n t h i s p a p e r,w h i c h c a n b e u s e d t o p l u g d i k e b r e a c h e s b y f o r m i n g a t e m p o r a r y d a m s t r u c t u r e.D u e t o t h e i n f l u e n c e o f t h e w a t e r f l o w,t h e p l u g g i n g d e v i c e w i l l m o v e a c e r t a i n d i s t a n
6、c e i n t h e l o n g i t u d i n a l d i r e c t i o n d u r i n g t h e c a s t i n g p r o c e s s,w h i c h w i l l a d v e r s e l y a f f e c t t h e a r r a n g e m e n t o f t h e d e v i c e s a n d t h e c o n s t r u c t i o n o f s t a b l e d a m s.H e n c e,a t h r e e-d i-m e n s i o
7、n a l(3 D)n u m e r i c a l c a l c u l a t i o n m o d e l o f t h e d r o p p i n g c l o s u r e d e v i c e w a s e s t a b l i s h e d b a s e d o n c o m-p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s(C F D)m e t h o d o l o g y,a n d i t s r a t i o n a l i t y a n d e f f e c t i v e n e s s
8、w e r e v e r i f i e d b y m o d e l t e s t s.T h e n,t h e e f f e c t s o f w a t e r d e p t h,c u r r e n t v e l o c i t y,d e v i c e w e i g h t a n d o t h e r f a c t o r s o n t h e l o n g i t u d i-n a l d i s p l a c e m e n t o f t h e c l o s u r e d e v i c e w e r e i n v e s t i
9、g a t e d.T h e n u m e r i c a l c a l c u l a t i o n s a n d m o d e l t e s t o b s e r v a-t i o n s s h o w s t h a t t h e l o n g i t u d i n a l d i s p l a c e m e n t t r a v e l l e d b y t h e c l o s u r e d e v i c e n o n l i n e a r l y g o e s u p w i t h t h e i n c r e-m e n t o
10、f w a t e r d e p t h a n d c u r r e n t v e l o c i t y a s w e l l a s t h e r e d u c t i o n o f d e v i c e m a s s;w h e n a t t h e s a m e p e n e t r a t i o n d e p t h u n d e r w a t e r,t h e d e v i c e s h o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t i n s h a l l o w e r w a t e r i s
11、g r e a t e r t h a n t h a t i n d e e p e r w a t e r.K e y w o r d s:e m e r g e n c y r e l i e f a g a i n s t f l o o d;d i k e b r e a c h;c l o s u r e d e v i c e;l o n g i t u d i n a l d r i f t d i s t a n c e;c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s(C F D)收稿日期:2 0 2 1-1 1-0 9
12、基金项目:中国博士后科学基金(2 0 2 0 M 6 8 3 7 5 5)。第一作者:刘俊谊,博士,副教授,主要研究防汛抢险、渡河工程,1 5 4 1 6 2 4 0 3q q.c o m。通信作者:洪 娟,讲师,主要研究防汛抢险、桥梁防撞,1 4 7 2 3 3 2 0 2q q.c o m。在水资源利用和洪涝灾害预防等方面,堤坝起到非常重要的作用。然而,水坝雍塞、坝体长时间受冲击、人为破坏以及兴建时质量不合格等因素易导致堤坝发生溃决。届时,水体将在溃口附近集中,溃决速度快且能量巨大,对人员生命和财产安全造成极大威胁1-2。因此,关于如何在堤坝溃决后根据溃口情况,合理地采取相应措施有效封堵溃
13、口这一问题,很多学者进行了大量的研究3-5。B o c等6设计了一种由高强纤维构成的便携式轻质气囊用于决口封堵,并通过试验验证了装置的有效性。潘恕等7提出了一种适应流速不大于3 m/s、水深不超 过5 m溃口条件的橡胶坝围堰快速堵口技术。文献8,9 提出了一种利用军用舟桥桥脚舟、集装箱、多用途浮箱等箱型结构物实施沉箱,封堵堤坝溃口的技术方案,并通过模型试验研究了溃口水流流量、流速、流态的变化规律以及沉箱顺序和裹头构筑对溃口水力特性的影响。葛忆等1 0提出了一种由6根等长钢管连接形成的三角锥钢架结构作为堵口支撑装置用于堤坝决口的封堵。该钢架结构在小型决口抢险中效果较好,但在大型决口抢险中效果如何
14、还有待进一步验证。目前,封堵堤坝决口的方法主要包括沉船、沉箱、抛石(钢格石笼、钢筋石笼)戗堤、钢栅栏石结构、钢木组合构架、石袋堆码结构、杩槎结构等1 1。尽管这些方法能够降低决口处的流速,但它们也都有各自的缺点和问题。例如,沉船需要坚实的河床;沉箱需要借助拖船进行运输和投放、耗时较长;构建钢木组合构架需要大量人力且作业环境危险1 1。对此,本文提出一种可用于堤坝决口封堵的新型装配式快速堵口装置1 2。该装置是由可拆卸结构外框及其充填物(遇水快速发泡材料或砂石袋等)组成的四面体结构,具有便于储备、便于运输、现场装配快、便于人力抛投等优点。其工作原理与沙袋类似1 3-1 5,但具有更好的稳定性。在
15、水流的影响下,堵口装置会在下落过程中产生一定的漂移距离,这将影响堵口装置形成稳定坝体和封堵效率。因此,研究堵口装置在不同工况下的水下纵向漂移距离(以下简称“纵向漂距”)是很有必要的。本文将首先介绍装配式堵口装置的工作原理。然后,建立其抛投过程的数学模型,并给出相关模型试验介绍。通过与模型试验数据对比分析,验证数值计算模型的合理性和有效性,从而进一步研究水深、流速和质量等因素对堵口装置纵向漂距的影响。1 堵口装置简介单个装配式快速堵口装置(以下简称“堵口装置”)是一种由可拆卸结构外框及其充填物(遇水快速发泡材料或砂石袋等)组成的四面体结构,其结构设计图和实物图分别如图1和图2所示。堵口装置的两对
16、可拆卸结构外框均由两个三角形网板铰接而成,三角形网板包括三角形框架和钢筋网格,其中三角形框架由钢构件焊接而成;三角形网板之间采用卸扣等构件连接。四面体结构内均匀布置数个平行且带有钢筋网格的三角形搁架,遇水快速发泡包固定在每层的三角形搁架上;另外也可以根据需要将砂石袋等配重放置在结构内以增加装置的质量,提高其水中的稳定性。图1 堵口装置结构设计图2 堵口装置实物根据结构质量和尺寸的不同,堵口装置可分为重型、大型和小型3种。重型和大型堵口装置的几何尺寸相同,但内部填充物不同,重型堵口装置内部放置砂石袋,而大型堵口装置内部填充遇水快速发泡材料。重型(大型)堵口装置为边长2.5 m、高2 m的正四面体
17、结构。小型堵口装置的边长约为重型(大型)堵口装置的0.6倍,内部由遇水快速发泡材料填充,主要用于填塞重型(大型)堵口装置间的缝隙,形成较完整的坝体。2 模型试验堵口装置的模型试验在南京水利科学研究院的试验水槽开展。如图3所示,试验水槽的长宽高为3 0 m1.1 9 m1.2 m,边壁为透明钢化玻璃,底壁21 第2卷为钢板材质。水槽进口处设置了稳流栅,用以平顺水流,消除不均匀流态。图4为模型试验的布置图,为了降低进口和出口的影响,长2 m的试验区域被设置在水槽的中后部。水槽上部设置搭板,以便于试验人员悬挂堵口装置模型。试验过程中,水流流速通过节流阀控制并利用电磁流量计来测量;水深通过调节尾门控制
18、并利用水槽两侧的米尺来测量。另外,如图5所示,利用高速摄像机来记录堵口装置模型的运动轨迹。模型试验的缩尺比为11 0,所以堵口装置模型的高度和边长分别为0.2和0.2 5 m。图3 试验水槽图4 模型试验布置示意图5 试验过程中堵口装置模型下落轨迹的一些代表性照片(对应于表2中的工况1 0)如图6所示,堵口装置模型的框架材料采用截面尺寸为6 mm6 mm的不锈钢方管,框架内部为筛网,三角形网板间采用自锁式塑料扎带绑扎。图6 试验模型31第1期 刘俊谊,等:新型堵口装置抛投过程中纵向漂距的数值模拟及试验综合考虑实际工况和试验条件的限制,试验水深分别设置为0.2和0.3 m,水流流速分别设置为0.
19、4、0.6和0.8 m/s。模 型 的 质 量 分 别 设 置 为2.1 3、2.4 8和2.8 7 k g(可通过调整填充物中快速发泡材料和石子的比例实现),其相关参数详见表1。试验时,堵口装置模型从自由液面上方1 5 c m处开始自由下落。表1 堵口装置模型参数模型编号质量/k g填充物12.1 3拟发泡材料22.4 8部分拟发泡材料、部分石子32.8 7石子3 数值模型及验证3.1 相关假设为了便于将数值计算的结果与模型试验数据进行对比分析,计算过程中采用如下假设:(1)计算过程中忽略堵口装置内部孔隙的影响,而将其看作一个刚性的正四面体;(2)初状态时,堵口装置从某一高度开始作自由落体运
20、动;(3)假定决口处水流的流向近似与堵口装置形成临时坝体的方向垂直;(4)初始时刻,堵口装置的底面平行于自由液面,且底面其中一角的方向与水流方向相反;(5)不考虑风和浪的影响。3.2 数值模型基于C F D软件AN S Y S-F l u e n t建立的堵口装置抛投过程的三维数值计算模型如图7所示。图7 数值计算模型及其边界条件设置计算过程中,采用R N G k-湍流模型以及在装置下落区域加密网格的方式提高计算精度。积分时间步长t=0.0 0 1 s,重力加速度g=9.8 1 m/s2,水的密度=1 0 0 0 k g/m3。堵口装置有6个自由度,其边界层设置为动网格以便模拟装置的下落过程。
21、图7同时也给出了数值计算模型的边界条件设置。3.3 数值模型验证为了验证数值计算模型的合理性和有效性,对表2所列出的试验工况进行数值模拟。通过对相关数值计算结果和模型试验数据对比分析,可以研究流速、水深和模型质量对纵向漂距的影响。图8给出了在工况1 0条件下,堵口装置模型下落过程中不同时刻的位置,数值计算结果与图5中的相关试验数据非常吻合。表2 模型试验工况及装置纵向位移相关结果试验工况水深/m质量/k g流速/(ms-1)数值计算结果/c m模型试验结果/c m相对误差/%10.32.1 30.41 3.5 11 3.50.120.32.1 30.62 0.9 51 9.38.530.32.
22、1 30.82 9.3 12 7.66.240.32.4 80.47.6 78.5-9.850.32.4 80.61 1.5 91 1.05.460.32.4 80.81 7.1 91 8.5-7.170.32.8 70.44.3 84.4-0.580.32.8 70.66.6 35.71 6.390.32.8 70.81 0.3 71 1.3-8.21 00.22.1 30.68.8 18.18.81 10.22.4 80.65.6 65.61.11 20.22.8 70.63.2 23.8-1 5.3图8 不同时刻堵口装置模型运动位置的数值计算结果(对应于表2中的工况1 0)为了进一步定量
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