基于3D 打印物模的输水渡槽出口流态优化试验

马山玉，李 钊，王志刚，曲晓宁，崔航飞

（1.河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州 450016；2.中国南水北调集团中线有限公司河南分公司，郑州 450016）

南水北调中线工程是跨地区、 跨流域的特大型调水工程，全线采用自流输水方式。中线干线工程澧河渡槽， 设计输水流量320m3/s， 加大流量380m3/s。2020年4月末，中线工程开启运行以来第一次大流量输水， 陶岔入渠流量从350m3/s提升至420m3/s。 在此期间，澧河渡槽出现流态紊乱现象，槽内水位异常波动，渡槽出口出现明显的卡门涡街现象［1］，一定程度上制约了中线工程的调水能力， 亟需研究流态紊乱原因并提出流态优化工程措施。

针对卡门涡街［1、2］的研究较多，消除卡门涡街的工程措施研究较少。 在参考南京三叉河河口闸过闸水流流态改善措施［3］和南水北调中线工程十二里河渡槽流态优化措施［1］的基础上，以澧河渡槽为典型，基于高精度三维水动力学数值计算开展输水渡槽流态分析研究。为验证数值计算成果的准确性，考虑到水工物模试验成本高，周期长的特点，基于3D打印物理模型， 对渡槽出口新建不同长度三角形导流墩后流态改善程度，开展了定性试验研究。

1 3D打印水力学模型设计与制造

1.1 澧河渡槽工程概况

澧河渡槽采用双槽布置形式，渡槽总长736m，渡槽为矩型截面，宽10m，设计水深6.13m，加大水深6.83m，渡槽顶部设拉杆横梁，底部距离加大水位0.1m。 渡槽进、出口闸室中隔墩厚度5m，进出口中隔墩端部分别倒角1.8m和1.3m；渡槽上、下游采用渐变段与梯型总干渠连接。 澧河渡槽工程布置如图1。

图1 澧河渡槽布置示意图

1.2 水力学模型设计

澧河渡槽流态优化试验水力学模型按照重力相似准则，采用正态模型。 以澧河渡槽竣工图构建BIM模型，在满足水深不宜小于3cm的前提下，以3D打印机可打印的最大尺寸确定模型比例为1∶200。模型主要用于流态定性研究，基于3D打印技术和材料制作的模型表面糙率达不到比尺相似要求，但对试验成果影响不大，可不校正模型糙率，局部不平整处稍作打磨，过水断面涂抹固态石蜡降低表面黏滞力。

1.3 模型制作

使用3D打印机，选用新型生物降解塑料PLA按1∶200的尺寸打印澧河渡槽建筑物， 包括50m长进口渠道、进口渐变段、进口闸室段渠道、渡槽、渡槽出口闸室段渠道、渡槽出口渐变段等，使用AB结构胶将分块打印的模型黏接成整体。 用有机玻璃制作蓄水槽及前池水槽，3D打印渡槽模型按高程比例用胶结固定在蓄水槽内。设隔板将前池水槽与蓄水槽隔离，渡槽进口渠道与前池隔梯形缺口黏接， 渡槽出口为自由状态。蓄水槽外部设储水箱，通过变频水泵将水箱内的水按一定的流量抽到前池水槽， 经稳流后流入渠道模型内。水流从模型出口流出后进入蓄水槽，蓄水槽内设带有截止阀的排水管。 通过变频调节进入前池水槽的水量， 通过调节排水管上的截止阀控制排水流量。 3D打印部分模型如图2，水力学模型如图3。

图2 3D打印物理模型

图3 水力学试验模型

1.4 水力学模型水流量及调控

3D打印水力学模型几何比尺为λL=200， 则流量比尺λQ为式（1）：

渡槽设计流量320m3/s，物模流量为式（3）：

水力学模型试验应在设计流量至加大流量的状态下进行，模型的试验流量应调控到0.672～0.566L/s。水力学模型使用变频水泵形成循环水流， 水泵流量4000L/h，共20个变频档位。 以10min为单位，量测抽到蓄水槽的水的体积，可推算水泵的流量。经过反复的试验，水泵的电机处于12档时流量约0.67L/s；电机处于10档时流量约0.57L/s。 设计流量试验前，先将蓄水槽内的水蓄到渡槽出口处水深3.07cm； 加大流量试验前， 先将蓄水槽内的水蓄到渡槽出口处水深3.41cm，同时开启水泵和排水阀，将水泵电机调整到验证的档位，维持渡槽模型的水位和流量，验证导流墩安装前和安装不同长度导流墩的流态。

2 物理模型试验

通过数值模型模拟的方式， 综合考虑对原建筑物结构影响、施工难度、流态改善程度、投资等因素后，推荐在渡槽出口新建三角形导流墩，并用数值模型定量研究分析了出口新建10，20，30，40m 4种长度的导流墩方案。

为验证数值模型的准确性， 采用3D打印水力学模型开展试验， 研究在渡槽出口新建不同长度导流墩的流态。以3D打印水力学模型，选取现状及出口加装20，30，40，60m长度导流墩分别进行流态模拟，定性对比分析加装不同长度导流墩后对流态变化的影响趋势，并与数值模型分析流态对比验证。

2.1 现状出口流态模拟

3D打印物理模型试验可以完整模拟澧河渡槽出口流态，现状条件下，澧河渡槽出口局部流态紊乱，成旋涡状向前发展，与实际情况相符。物模模拟现状流态如图4。

图4 渡槽出口现状流态

2.2 出口加装20m长度导流墩流态模拟

出口加装20m长度导流墩后，澧河渡槽出口流态有一定改善，但总体还成旋涡状向前发展。 流态如图5。

图5 渡槽出口加装20m导流墩流态

2.3 出口加装40m长度导流墩流态

出口加装40m长度导流墩后，澧河渡槽出口流态改善明显，旋涡状基本消失。 流态如图6。

图6 渡槽出口加装40m导流墩流态

2.4 出口加装60m长度导流墩流态情况

出口加装60m长度导流墩后，澧河渡槽出口流态基本稳定，旋涡状消失，与加装40m导流墩效果基本相同。 流态如图7。

图7 渡槽出口加装60m导流墩流态

3 物理模型试验与数值模型对比分析

为研究对比3D打印水力学模型的可靠性， 对比分析了渡槽出口未安装导流墩前现场的实际流态、3D打印物模模拟的流态和数值模型模拟的流态，以及在渡槽出口加装不同长度导流墩后， 通过数模和物模分别模拟的流态。

3.1 初始状态渡槽出口流态对比分析

3.1.1 渡槽现状实际流态

根据现场观测显示，渡槽过流320m3/s流量时，澧河渡槽出口渐变段流态紊乱， 左右两槽水流以中隔墩为中心，呈周期性摆动现象，摆动周期约为8s，并伴随有旋转方向相反的反对称旋涡向下游传递，即呈现出流体力学中典型的”卡门涡街”现象，流量越大流态越紊乱，现场实际流态如图8（a）。

3.1.2 3D打印模型模拟流态

采用3D打印水力学模型， 模拟加大流量下渡槽出口的流态如图8（b），渡槽出口的卡门涡街现象，流态摆动趋势与实际流态接近。

3.1.3 数值模型模拟流态

数值模型模拟渡槽出口流场分布如图8 （c），流态如图8（d），模拟结果显示：由于出口墩头宽平，渠水急剧绕流，使得墩头后流态紊乱，左右两槽水流以中隔墩为中心，呈周期性摆动现象，数模、物模模拟结果与澧河渡槽当日现实观测结果完全一致。

图8 现状出口流态对比

3.2 数值模型出口加装不同长度导流墩流态

为给消除流态紊乱的工程措施及方案设计提供参考依据，采用数值模型，模拟了渡槽出口新建10，20，30，40m三角形导流墩的流态，数值模型计算不同尺寸导流墩流速分布如图9。

图9 数值模型出口不同尺寸导流墩流速分布

流态对比结果显示，出口安装10m导流墩后“卡门涡街”现象仍未消失，但与现状相比尾流摆动幅度和频率有所降低；20m导流墩“卡门涡街”现象基本消失， 但仍存在微小摆动；30m和40m导流墩尾流摆动现象完全消失。随着导流墩的加长，左右侧流速分布更加对称。

3.3 对比分析

3D打印物理模型能够模拟出渡槽现状流态，能与数值模型和现场观测现象吻合。 通过对出口加装不同尺寸导流墩进行流态模拟试验，3D打印物理模型试验可定性模拟渡槽流态的变化趋势， 通过试验可知渡槽出口加装30m（或大于30m）长度导流墩后，澧河渡槽出口流态改善明显，旋涡状基本消失，与数值分析结果及推荐优化方案结论基本一致。

4 结论和建议

（1）3D打印水力学物理模型，可以用于试验研究建筑物现状流态和优化措施流态。

（2）3D打印模型糙率高、打印效率低，建议复杂的曲面采用3D打印， 模型的平面部分采用与比尺糙率接近的亚克力等材料， 将3D打印的模型精细打磨后与亚克力材料黏接形成水力学模型。

（3）用于流速分布、体型优化等模型试验研究时，建议采用大型3D打印机和大比尺模型，可提高试验数据的精度。