闸前漂浮物对过闸水流结构影响的试验分析与数值模拟

摘要

我国南方的许多水闸在运行过程中长期受到漂浮物的侵扰，紧密的覆盖层与河道边界共同组成相对封闭的水流边界，造成过流断面的湿周增加，使得有效过水段面减小，过流边界的改变势必会给闸前水流结构和过流能力带来影响，尤其漂浮聚积层对过闸水流的阻力作用，严重威胁到水闸的行洪度汛。
　　本文将在国内外对于有植被河道水流问题研究的基础上，结合水力学基本理论及水闸出流的理论，通过物理模型试验和数值模拟来定量分析闸前有漂浮覆盖层时的闸前断面流速和沿程水位的变化情况，并以此为基础总结各工况下水闸过流能力的变化规律。本文主要得出以下结论:
　　物理模型试验中，闸孔出流相同工况下，布置了覆盖层的闸前水位会比之前有明显的降低，层下的流速不再呈半对数“J”分布，而是近似呈鱼肚形“）”分布，堰流时覆盖层的上游水位较之前有了明显的上涨，覆盖长度越长对水流的沿程阻力则越大，上游水雍也越明显。布置了覆盖层的闸孔出流综合流量系数M1较未布置时有所增加，流量修正系数Ks＞1;布置了覆盖层的堰流综合流量系数M2较未布置时有所减小，流量修正系数KS'＜1。根据实测的堰流出流数据，拟合出单一厚度覆盖层的流量修正系数KS'相对于上下游水位hs/H1和覆盖层长度L1之间的关系。
　　利用数值计算软件详尽而直观地分析了覆盖层对闸前三维流场的影响情况，发现无论是闸孔出流还堰流情况，上游水流流经覆盖层段时都会绕过表层的覆盖层，被迫下潜到覆盖层的下方，覆盖层区域几乎没有流体通过。闸孔出流时覆盖层会提高水闸的过流能力;堰流时覆盖层则会消弱水流的过堰能力，并且这种消弱作用随着覆盖层的增长而增加。将数值计算得出的流速分布和过流能力与试验实测值进行了比较，两者吻合较好。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 有水生植物河道水流特性的研究现状

1．2．1 有水生植物河道水流特性的试验研究现状

1．2．2 有水生植物河道水流特性的数值模拟研究现状

1．3 闸前漂浮覆盖层对过闸水流影响的研究现状

1．4 闸堰出流的水力特性研究现状

1．4．1 闸堰出流流量计算研究现状

1．4．2 关于闸堰出流的流量系数及其影响因素的研究现状

1．5 研究内容

1．5．1 物理模型试验内容

1．5．2 数值模拟内容

第2章 紊流数值模拟的理论与方法

2．1 紊流运动的控制方程

2．1．1 连续方程

2．1．2 运动方程

2．2 紊流模型

2．2．1 涡粘模型

2．2．2 Reynolds应力模型

2．3 数值求解方法

2．3．1 控制方程的离散

2．3．2 流场数值计算

2．4 自由水面的处理

2．4．1 VOF基本方法

2．4．2 自由水面的追踪

2．5 多孔介质

2．5．1 多孔介质控制方程式

2．5．2 渗透系数

2．5．3 多孔介质阻力系数根据雷诺数

2．6 本章小结

第3章 试验装置设计及试验方法

3．1 试验装置

3．2 试验材料

3．3 试验测速断面布置

3．4 试验工况

3．5 试验方法

第4章 闸前有漂浮覆盖层的水流特性试验研究

4．1 闸前漂浮覆盖层对闸前水位的影响

4．1．1 闸孔出流时覆盖层对闸前水位的影响

4．1．2 堰流时漂浮物对闸前水位的影响

4．2 闸前漂浮物对闸前流速分布的影响

4．2．1 阐孔出流时的纵向流速分布

4．2．2 堰流时的纵向流速分布

4．3 本章小结

第5章 闸前漂浮物对闸堰出流能力的影响

5．1 漂浮物对闸孔出流的影响

5．1．1 闸孔出流计算公式

5．1．2 覆盖长度对综合流量系数的影响

5．1．3 覆盖层布置距离对综合流量系数的影响

5．2 漂浮物对堰流的影响

5．2．1 堰流计算公式

5．2．2 覆盖长度对综合流量系数的影响

5．2．3 覆盖层布置位置对综合流量系数的影响

5．3 本章小结

第6章 闸前漂浮物对过闸水流影响的数值模拟

6．1 模型的建立

6．1．1 计算域及边界条件的确定

6．1．2 网格的划分

6．2 计算结果分析

6．2．1 闸孔出流流场和流态分析

6．2．2 堰流流场和流态分析

6．2．3 漂浮物对过流流量影响的结果分析

6．3 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 研究结论

7．1．1 物理模型试验

7．1．2 数值模拟

7．2 展望

参考文献

致谢

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