低柱体雷诺数下柱体上游薄层水流马蹄涡特征研究

摘要

马蹄涡是水下柱体基部产生局部侵蚀的主要动力,目前对大雷诺数深水条件的马蹄涡特征研究广泛,而在低柱体雷诺数浅薄层水流条件下因技术条件限制,试验手段难以准确捕获马蹄涡.为准确掌握在该水流条件下马蹄涡的特征,本研究构建了高分辨率高频的粒子图像测速系统,系统测量了6组浅薄层水流条件下柱体前端的瞬时流场.通过分析平均流场特征提取出流动分离点,采用旋转强度的方法识别马蹄涡进而提取马蹄涡位置及强度,使用Oseen涡和纯剪切的控制方程叠加模拟马蹄涡进而计算出马蹄涡的半径.结果 表明:在低柱体雷诺数水流条件下(ReD＜5 000),随着柱体雷诺数的增加流动分离点急剧向下游移动,同时马蹄涡急剧向柱体端和床面靠近,其半径减小而旋转强度增加.在浅薄层水流条件下,当柱体直径一定时,随着水深的增加,流动分离点向上游运动,同时马蹄涡向远离柱体端和朝水面运动,马蹄涡的半径增加,且其各项参数显著大于明渠水流条件下的参数.随后,结合已有工作,归纳出分离点、马蹄涡特征随柱体雷诺数增加而经历的不同阶段:当5 000＜ReD＜8 000流动分离点仍向下游急剧移动,马蹄涡的各项特征保持稳定;当ReD＞8 000,流动分离点向下游缓慢移动,马蹄涡的各项参数仍维持稳定.研究结果可为柱体基部科学布设防冲设施提供依据和参考.