淹没丁坝对水流结构的调整作用研究

摘要

工程实践中淹没丁坝是很常见的工况,不同淹没程度ΔH/H下丁坝对水流结构的调整作用是不同的。实际应用的丁坝具有迎水边坡、背水边坡和端坡,与水槽试验中常见的直立丁坝也有很大不同。采用水槽试验和三维数学模型相结合的方法,主要研究具有迎水边坡和背水边坡的丁坝在非淹没和ΔH/H=0.17、0.29、0.38和0.44时和相同阻挡面积下端坡系数m=0、3、5和7时水流结构的变化。
　　 1)建立基于平面三角形网格和垂向σ坐标系的三维Roe格式浅水紊流模型。推导出σ坐标系下守恒扩散模型。采用计算糙率、水位积分平衡法、三维阶梯流水力模型和部分滑移系数处理丁坝水流模拟中的三维动边界、陡坡、高程间断和边壁阻力问题。考虑边壁阻力的影响能够模拟出非淹没丁坝上、下游小回流区。
　　 2)ΔH/H=0.17时,丁坝下游仍出现回流区；ΔH/H>0.17时,回流区消失。淹没时坝头附近横向流速较非淹没时减弱,下游回流区内纵向流速分布较非淹没时更为均匀。在受坝体阻挡的纵剖面上,淹没时坝顶的表层纵向流速为1.1～1.7V0(V0为平均流速),在下游出现横轴环流。
　　 淹没丁坝对低于坝顶的水流仍起一定的调整作用,这种作用随着ΔH/H的增加而减弱。坝顶以上和坝头附近的流向偏角和横向流速随着ΔH/H的增加而减小。m=0时横向水流影响范围bt与ΔH/H呈如下经验关系:bt/L=-5.80ΔH/H+2.96。
　　 3)推导出非淹没和淹没时不同m下丁坝阻挡流量计算公式。考虑端坡对局部水头损失的影响建立非淹没时下游回流区长度计算公式；结合坝顶过流对坝轴断面主流区平均流速的影响建立ΔH/H较小时丁坝下游回流区长度公式。
　　 非淹没时m的增加引起相对回流长度l/L和相对回流宽度b/L的减小。底层平面相对流速V/V0≥1.40和相对底床切应力τb/τb0≥3.00等值线范围随着m的增加明显减小,最大相对底床切应力τbmax/τ0由m=0时的4.40减小至m=7时的3.68。
　　 ΔH/H=0.17时,l/L从m=0时的7.81增至m=1时的9.56,然后随m增加逐渐减小至m=7时为8.16。这种变化趋势与非淹没时的不同。底层平面V/V0≥1.30和τb≥2.50等值线范围随着m的增加而减小。τbmax/τ0至m=7时已基本稳定为2.90。
　　 4)m=0时坝轴断面相对单宽流量q/qin在坝头处明显集中,随着m增大至7时逐渐减小至1.18并与主流区中的趋于一致。坝头从直立到m=3时,端坡的调整作用体现在q/qin=1.35等值线内强度的降低上,但等值线范围未有较大增加甚至缩小。当m>3时,端坡的调整作用体现在q/qin≥1.15等值线范围的减小上。
　　 AH/H的增加使得坝顶q/qin增加和主流区q/qin减小,丁坝对水流的调节作用减弱,单宽流量的分布趋于均匀。
　　 5)存在端坡时,底层平面V/V0≥1.30和τb/b0≥2.50等值线范围、τbmax/Tb0和q/qin的集中程度等都比坝头直立时大为缩小。另外,端坡的存使得下沉水流和漩涡系不能直接作用于坝头的河床。这些对限制坝头局部冲刷和将更多的流量分配到主流区都是有利的。

目录

文摘

英文文摘

前言

主要符号说明

插图

表格

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 丁坝概述

1.1.2 丁坝在航道整治中的应用

1.1.3 丁坝对水流作用研究的意义

1.2 研究方法及进展

1.2.1 丁坝对水流作用的研究方法

1.2.2 非淹没单丁坝对水流的作用

1.2.3 淹没单丁坝对水流的作用

1.2.4 丁坝水流模拟研究

1.2.5 已有研究内容的不足

1.3 本文主要研究内容

1.3.1 水槽试验和三维数学模型

1.3.2 淹没程度对水流结构的影响

1.3.3 端坡系数对水流结构的影响

第二章 三维浅水紊流模型

2.1 直角坐标系下模型

2.1.1 直角坐标系下控制方程

2.1.2 直角坐标系下边界条件

2.2 σ坐标系下模型

2.2.1 σ坐标系下控制方程

2.2.2 σ坐标系下边界条件

2.2.3 σ坐标系下水平扩散项

2.3 非结构网格上的有限体积模型

2.3.1 结构网格和非结构网格

2.3.2 浅水模拟中的有限体积法

2.3.3 有限体积离散原理

2.3.4 控制体内变量重构

2.3.5 法向数值通量计算

2.3.6 常规边界处理

2.3.7 底坡项处理

2.4 三维浅水紊流模型离散

2.4.1 离散所用网格

2.4.2 控制方程离散

2.4.3 对流项计算

2.4.4 扩散项计算

2.4.5 垂向流速计算

2.4.6 整体计算流程

2.5 算例验证

2.5.1 二维过丘恒定流算例

2.5.2 下游有水时的溃坝算例

2.6 小结

第三章 三维丁坝水流模拟

3.1 丁坝水流模拟研究

3.1.1 非淹没丁坝水流模拟研究

3.1.2 淹没丁坝水流模拟研究

3.2 三维模型中丁坝处理

3.2.1 三维动边界处理

3.2.2 陡坡的处理

3.2.3 高程间断的处理--双σ坐标系

3.2.4 高程间断的处理--三维阶梯流水力模型

3.2.5 边壁阻力的模拟

3.3 算例验证

3.3.1 Holtz丁坝水槽试验

3.3.2 Muneta丁坝水槽试验

3.3.3 Tominaga丁坝水槽试验

3.4 本章小结

第四章 丁坝水槽试验及数学模型验证

4.1 水槽试验

4.1.1 仪器设备

4.1.2 水槽调试

4.1.3 丁坝模型

4.1.4 试验组次

4.2 数模试验

4.2.1 数学模型概况

4.2.2 模型验证情况

4.3 本章小结

第五章 丁坝对流场的调整作用

5.1 淹没与非淹没条件下丁坝附近流场

5.1.1 表层平面流场

5.1.2 横向流速分布

5.1.3 纵剖面流场

5.1.4 纵向流速的垂向分布

5.1.5 紊动动能的垂向分布

5.2 淹没程度对丁坝附近流场的影响

5.2.1 坝顶以下纵向流速的横向分布

5.2.2 表层平面流场

5.2.3 横向流速分布

5.2.4 纵剖面流场

5.3 端坡系数对非淹没丁坝附近流场的影响

5.3.1 表层平面流场

5.3.2 回流区长度公式

5.3.3 底层平面流速分布

5.3.4 底床切应力分布

5.3.5 横向流速分布

5.3.6 纵剖面流场

5.4 端坡系数对淹没丁坝附近流场的影响

5.4.1 表层平面流场

5.4.2 回流区长度公式

5.4.3 底层平面流速分布

5.4.4 底床切应力分布

5.4.5 横向流速分布

5.4.6 纵剖面流场

5.5 本章小结

第六章 丁坝对单宽流量的调整作用

6.1 相对单宽流量的分布

6.1.1 端坡系数对相对单宽流量分布的影响

6.1.2 淹没程度对相对单宽流量分布的影响

6.2 端坡在航道整治工程中的意义

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

发表学术论文与参与科研项目

致谢