弯曲河流水动力不稳定性及其蜿蜒过程研究

摘要

本文以明渠河流，特别是弯曲型河流为研究对象，采用稳定性理论、三维水流数值模拟和室内自然模型试验三种方法，研究了河流的水动力不稳定性及河流蜿蜒过程。　　 根据弯道水流的运动特征，建立了正交曲线坐标系下弯道水流稳定性模型，着重讨论了弯曲河道明渠层流稳定性特征问题，与顺直河道进行了对比。并做了详尽的分析，主要包括不同河岸弯曲程度下的中性曲线、临界雷诺数、扰动增长率等值线的变化情况及雷诺数变化对扰动特征值的影响等。分析表明：与顺直河道相比，弯曲河道稳定中性曲线前移，失稳临界雷诺数降低，对扰动波数的响应范围加大，流动更容易失稳。　　 建立了正交曲线坐标系下弯曲河道中多尺度紊流结构动力演化模型，将大尺度拟序涡体结构看作是一种扰动，来研究弯曲河道中多尺度紊流结构的动力演化特征，从理论上分析了弯曲河道二维紊流涡体结构的演化特征，计算了不同弯曲度和雷诺数条件下河道中涡体的扰动增长率变化。结果表明：弯道中小尺度涡的扰动增长率变化较大尺度涡更剧烈，且小尺度涡对河道弯曲度和雷诺数的改变更敏感。　　 建立了描述弯道水流的三维模型，进行了一系列的数学模型计算，分析了弯曲度、河宽、水深、流速对连续弯道水流运动特性的影响。　　 运用自然模型法模拟天然河流演变过程，以顺直河道作为初始河道，通过控制比降和初始河槽宽深比来观察顺直河道的演变过程，阐述了河道形态在上述因素变化时的演变趋势，初步探讨了试验中出现的不同河型的成因及发展过程。

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