弯曲复式河槽水流泥沙因子的横向分布模型及其应用

在弯道环流的作用下,滩槽水沙交换的强度和模式明显有别于顺直河道情况,其研究内容相对复杂。目前,对弯曲河道水沙输移规律尚缺乏较系统的研究。将SHIONOKNIGHT方法拓展应用到弯曲复式河槽中研究弯曲河道的水沙因子的横向分布规律,从考虑侧向二次流惯性力和河道弯曲程度的动量方程出发,对水流微小控制体进行了受力分析,建立了复式断面流速横向分布模型,得到了复式断面流速和挟沙力的横向分布规律,最后论证了不同弯道曲率对复式河道水流泥沙因子横向分布的影响。     

辽宁省东部山区沿河公路微弯段水流冲刷的数值模拟

目的 研究辽宁省东部山区沿河公路顺直微弯段路基的冲刷机理,为制定合理的防护措施提供理论依据,以提高路基的抗水毁能力.方法 选取弯道中心角为20°的弯道,采用数值模拟手段,通过系统的计算机仿真模拟,分析三维弯道流场中典型防护构造物的工程力学行为.结果 弯道上游断面处的流速分布较为均匀,出口处流速分布不均匀,凹岸侧的流速大,凸岸侧流速偏小,弯道凸岸侧存在回流区.弯道入口处动压力值较小,分布较为均匀,随着流场的发展,在弯道下游出口处的凹岸达到最大值.弯道凹岸与凸岸均存在高剪切应力区,位于凹岸附近剪切力小于凸岸.加设顺坝群后,弯道凹岸附近的力学参数值均有一定程度的减小.结论 弯道凹岸的切应力区将直接影响沿河公路路基的稳定性,致使其坡脚被冲刷淘空,需采取有效措施(如挡墙、顺坝、丁坝)加以防护.数值模拟结果与现场实地调查结果一致,说明顺坝可以保护回流区长度范围内的河岸路基.     

小宽深比条件下弯道水流特性的试验研究

在弯道水流中,几何参数宽深比对水流的3维运动特性具有重要影响。由于小宽深比（< 5）河道广泛存在于山区及人工河道中,采用声速多普勒流速仪（ADV）对固定宽度不同宽深比（B/H 分别为1.5,2.0,3.0）的U型弯道内水流流速进行了精细测量,并以水面横比降、横向环流、流速重分布、紊动强度与剪切力为研究内容,讨论与分析了该情况下的弯道水流结构。试验结果表明,在小宽深比条件下增加宽深比时：1）水流动力轴线开始向凹岸偏移的位置提前,因而小流速主流线沿着凸岸流动,直到出弯道才开始向凹岸偏移,大流速则更早地向凹岸偏移;2）横向流速在凹岸开始波动的位置依次靠近上游,3种工况中波动位置分别为120°断面、90°断面及60°断面;3）凹岸表层附近出现次生环流的位置依次提前,其位置分别为120°断面、60°断面及30°断面,并且次生环流强度及范围不断增大;4）床面剪切力不断增大。需要指出的是：3种工况的剪切力在弯道入口断面到弯顶断面之间较大,最大剪切力位置均出现在弯道的前半段,可以推断在动床中弯道泥沙在此段的冲刷比较严重;过弯顶断面后,凸岸床面剪切力大于凹岸。试验结果可以有效地反映不同小宽深比参数对弯道水流结构的影响,并为该条件下的弯道泥沙冲淤研究提供参考。     

弯曲型河道水流流速分布及阻力试验

弯曲型河道水流运动规律及阻力特性在水利工程许多领域中占有十分重要的位置.对正弦派生曲线、梯形断面的连续弯曲型河道开展了物理模型试验,采用日本ACM2-RS型X-Y方向2轴电磁流速计对水流流速进行了测量,并对水流阻力进行了分析.结果表明,弯顶水流纵向时均流速分布接近抛物线型,最大流速点位于上部水面以下,整体上大下小,而顺直过渡段水流纵向时均流速分布最大流速点位于底部,整体上小下大;弯道段纵向垂线平均流速横向分布沿程依次为自由涡、均匀流及强迫涡分布;弯顶中垂线水流横向环流随流量、水深的增大而增大,零流速点的相对水深值大致在0.4～0.6范围以内;弯曲型河道水流阻力系数随着过水断面平均水深、水力半径的增大而增大,随着过水断面宽深比的增大而减小.     

弯道横向流动与输沙的探讨

本文由紊流雷诺方程出发,采用普朗特紊流切应力构架和通过因次分析确定的掺长形式,探讨了弯道恒定二元环流的流速分布。导出的环流流速分布公式结构比较简明、合理,与实测资料有较好的拟合性.同时利用环流流速分布公式,进一步探讨了弯道水流中泥沙的横向输移问题,建立了便于数值模拟的计算模式。     

基于Fluent的连续弯道水流三维数值模拟

借助Fluent软件,采用雷诺方程和有限体积法建立连续弯道三维数学模型,并以正弦曲线派生的连续弯道水槽试验结果进行验证,进而采用Fluent软件中的雷诺应力模型对连续弯道水槽试验进行模拟.结果表明:连续弯道内沿程水面呈现出扭曲的现象,凹岸一侧的水位恒高于凸岸一侧,水位横比降明显,最大横比降发生在弯顶偏上游处;连续弯道内水流表层、中层和底层流速沿程分布差别较大,总体上看表层、中层流速大于底层流速;各断面环流旋度大小不同,水面和槽底处环流强度大而水体中部小.     

四种紊流模型模拟弯道水流精度的对比分析

采用标准k-ε模型、RNG k-ε模型、可实现k-ε模型和Reynolds应力模型等4种经典的紊流模型,以连续弯道水流为对象进行数值模拟.根据水槽试验资料,从弯道水流纵比降、横比降及纵向流速分布等方面,对比分析了4种模型模拟结果的精度.认为Reynolds应力模型能更好地再现弯道中复杂的三维紊流特征,具有较高的精度,模拟结果优于标准k-ε模型、RNG k-ε模型和可实现k-ε模型.以单弯道水流为对象,从沿程水面线、纵向流速沿垂线分布、紊动能沿水深分布及环流强度分布特性等方面,检验了Reynolds应力模型的精度.发现在模拟岸边界变化引起的二次流现象时,Fluent软件中的Reynolds应力模型效果优于其他3种紊流模型.     

弯道水流的分离

本文根据弯道纵向垂线平均流速分布公式,利用进口断面凹岸流速为零和出口断面凸岸流速为零的条件,建立了判别弯道水流在凹岸和凸岸是否分离的条件关系式。利用水流分离的判别式,结合前人的定性研究成果,较系统地分析了相对曲率半径,水流的强度、来流条件,河床形态、河床粗糙情况、相对水深及弯道中心角等因素对水流分离的影响。所得结论与试验成果是一致的。     

不同水沙条件下弯道河床冲淤与漫滩洪水特性研究

我国西南山区山洪灾害频发,严重威胁山区社会发展和人民生命财产安全。由于地形限制,山区常见弯曲河道,而弯曲段时常发生山洪灾害。以往弯曲河道水沙运动及河床演变的研究成果难以有效识别弯曲河道漫滩洪水下凹岸易灾区域范围。基于四川省芦山县王家村弯曲河道漫滩洪水灾害的现场观测,本文设计了弯曲水槽模型,测量了不同水沙条件下弯道水面超高、河床地形、凹岸水位和滩槽纵向流速,探讨了漫滩洪水的致灾机制,识别了漫滩洪水下弯曲河道易灾区范围。结果表明,上游流量是弯道漫滩洪水致灾的关键因素,而上游泥沙补给是次要因素。弯道水面超高随泥沙补给增加而增大,经对比计算,兰运长等的率定参数能较好预测河床冲淤稳定的弯道水面超高。水流不漫滩时,泥沙补给仅造成弯道凸岸轻微淤积,对弯道凹岸水位提升的影响很小。洪水漫滩后,上游流量增大造成凹岸水位和滩地流速显著增加。随着泥沙补给不断增大,弯曲主河道河床整体淤积,但淤积对水位和滩地流速的影响较小。30-60°断面区域是90°弯曲河道的易灾区范围,这是因为该区域内的滩地流速大于主河道流速和上游来流流速,滩地最大流速出现在弯道50°断面,其值可达上游来流流速的1.3倍。从水动力学角度分析,洪水漫滩时,滩地流速显著增大是王家村弯曲河段弯顶附近滩地成灾的原因。     

曲线坐标系下平面二维水流水质模型的修正

采用边界处正交的曲线网格生成技术处理水流不规则的计算区域边界,基于有关弯道水流流速分布的研究成果,计入弯道环流引起的横向的动量交换,建立了曲线坐标系修正的平面二维水流水质数学模型.采用修正后的模型对实际弯道水流和污染物的扩散输移进行了数值模拟,并与原模型的计算结果及实测资料进行了比较,结果表明该模型能够有效地模拟流线弯曲的复杂水流的水力特性和水质分布.