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水 利 学 报

２０２４年 ６月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ６期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０６ － ０６７５ － １１

圆端形墩台尾迹水动力特性开缝控制三维数值分析

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李东风 １，２ ，白福青 １，２ ，方志浩 １，２ ，张红武 ，胡建永 １，４
（１．浙江省农村水利水电资源配置与调控关键技术重点实验室，浙江水利水电学院，浙江 杭州 ３１００１８；
２．浙江海洋大学 船舶与海运学院，浙江 舟山 ３１６０２２；
３．清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 １０００８４；
４．浙江海洋大学 海洋工程与装备学院，浙江 舟山 ３１６０２２）

摘要：水流绕流水闸闸墩、导流墩等水工建筑物后产生旋涡分离流，其三维尾迹结构水动力特性复杂，对旋涡分
离流进行流动控制，不仅是闸墩优化设计的需要，而且关系到工程运行的效率和工程安全。在验证三维水动力数
学模型的基础上，对圆端形墩台开缝后的旋涡分离流和流动控制的三维水动力特性进行了研究，对比了无缝与开
缝墩台方案下纵向、横向和竖向方向的时均流速分布，紊流动能以及紊流强度分布等水力学指标，探究了开缝墩
台水动力特性。分析表明，墩台开缝后可以明显改善墩台后方的水流结构，开缝位置越靠近水深的中部位置，对
墩后尾流旋涡的抑制越大，对绕流墩台绕流的控制越来越好，水深中部位置开缝最大程度的影响了开缝墩后的上
部水流和下部水流，使得开缝对时均流速的影响最大，开缝对旋涡的抑制也最大最佳。为抑制墩后的旋涡对工程
的不利影响，工程的设计中应首先确定墩台后的水深，开缝位置应尽量设置在墩台后水深的中部位置。
关键词：圆端形墩台；开缝流动控制；紊流动能；旋涡分离流；三维数值模拟
中图分类号：ＴＶ１３１ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０６０４
文献标识码：Ａ

１ 研究背景

墩台形建筑结构如河渠进出水口导流墩 ［１］ 、齿坎 ［２］ 、可概化柱体 ［３］ 、桥墩 ［４ － ５］ 等在工程导流、消
能和控制负压等发挥了重要作用。圆端形墩台与圆柱和方柱相比，其截面沿水流运动方向的长度大，
墩台两端圆形，兼具圆形截面和方形截面的优点。虽然圆端形墩台的轮廓形态比方柱形墩台等更接近
流线形，但由于影响其绕流运动的边界条件复杂，当水流绕过墩台后，会在墩台后形成旋涡分离流，
其复杂的三维水流紊动涉及到边界层及尾流演化、边界层转捩和黏性尾流相互作用等，墩后尾流旋涡
会影响水工建筑物的消能防冲 ［６］ 、空化空蚀和掺气减蚀负压控制 ［７］ ，而且其非对称的和交替脱落发生
的卡门涡街会对墩台产生横向脉动作用力，从而诱导流激振动 ［８ － ９］ ，影响水工建筑物整体系统的稳定
性和安全性。揭示墩台尾流三维水动力紊动特性，研究改善墩台尾流结构的流动被动控制对策，是广
泛关注的热点 ［７ － ９］ 。
墩台绕流旋涡分离流主要是由于在绕流边界条件的控制下，水流绕过墩台后附近区域内的水流能
量损失，水流运动停滞，墩后旋涡区域压强减小，在墩后外部大压强的作用下形成旋涡分离流。改善
墩台尾流特性主要通过抑制、减缓墩后的分离流动，或向分离旋涡区内的停滞水体注入能量等技术来

收稿日期：２０２３ － ０９ － ２７；网络首发日期：２０２４ － ０６ － ２１
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０６２０．０９５７．００２．ｈｔｍｌ
基金项目：浙 江 省 自 然 科 学 基 金 项 目 （ＬＺＪＷＺ２２Ｃ０３０００１， ＬＺＪＷＺ２２Ｅ０９０００４）； 国 家 重 点 研 发 计 划 项 目 （２０１６ＹＦＣ０４０２５０２，
２０１６ＹＦＣ０４０２５００）；农村水利水电资源配置与调控关键技术浙江省重点实验室项目（ＺＪＷＥＵ － ＲＷＭ－ ２０２１０１）；校科研
项目（ ＸＫＹ２０２３０１２）
作者简介：李东风（ １９６５ － ），博士，教授，主要从事水动力学及河流动力学、分离流和旋涡控制等研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｌｉｄｆ＠ｚｊｗｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通信作者：白福青（１９８３ － ），博士，副教授，主要从事生态水利、生态水力学等研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｂａｉｆｑ＠ｚｊｗｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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