一种平面涡旋水流作用下河床冲淤的计算方法

摘要

本发明公开了一种平面涡旋水流作用下河床冲淤的计算方法，包括收集需计算平面涡旋水流作用下河床冲淤的河道基础资料；建立平面二维或三维水流泥沙运动数学模型；计算河道水流流速分布、水深、平面涡旋水流结构以及泥沙输移信息；计算平面涡旋水流作用下泥沙的有效重力加速度；修正计算平面涡旋水流作用下泥沙的沉降速度；修正计算平面涡旋水流作用下泥沙输沙能力；计算获得平面涡旋水流作用下河床冲淤值。本发明可快速、准确地计算平面涡旋水流作用下的河床冲淤值，实现涡旋水流作用导致泥沙有效重力变化时的河床冲淤计算，与实际情况更为接近，可为河道综合治理与保护提供技术支撑。

说明书

技术领域

本发明属于水利工程河流动力学技术领域，具体涉及一种平面涡旋水流作用下河床冲淤的计算方法。

背景技术

平面涡旋水流结构在天然河道和水体中十分常见，通常由突出的天然矶头或人工构筑物所引起。实际观测表明，在此类平面涡旋水流作用下，水流附加上升力，泥沙的有效(等效)重力随之改变，河床冲淤幅度往往较大，且较一般平顺水流更为复杂多变，给河道综合治理与保护带来挑战。

然而，平面涡旋水流作用下，河床冲淤机理十分复杂，由于受涡旋水流作用，有效(等效)重力会变化，现有的河床冲淤计算方法将无法适用，目前还没有成熟准确的计算方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种平面涡旋水流作用下河床冲淤的计算方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种平面涡旋水流作用下河床冲淤的计算方法，包括：

步骤1、收集需计算平面涡旋水流作用下河床冲淤的河道基础资料；

步骤2、根据步骤1的河道基础资料，依据河流模拟理论，建立平面二维或三维水流泥沙运动数学模型；

步骤3、依据步骤1的河道基础资料，根据步骤2的平面二维或三维水流泥沙运动数学模型，计算河道水流流速分布、水深、平面涡旋水流结构以及泥沙输移信息；

步骤4、根据步骤3的计算结果，依据涡旋作用下泥沙运动受力分析和动力机理，以及流体力学运动理论，引入平面涡旋水流作用下的上升力以及对应的等效重力加速度系数，计算平面涡旋水流作用下泥沙的有效重力加速度；

步骤5、根据步骤4的平面涡旋水流作用下泥沙的有效重力加速度，依据泥沙沉降理论，修正计算平面涡旋水流作用下泥沙的沉降速度；

步骤6、根据步骤4的平面涡旋水流作用下泥沙的有效重力加速度以及步骤5修正计算得到的沉降速度，依据泥沙输沙能力理论，修正计算平面涡旋水流作用下泥沙输沙能力；

步骤7、根据步骤5修正计算得到的沉降速度和步骤6修改计算得到的泥沙输沙能力，依据河床冲淤变形理论，计算获得平面涡旋水流作用下河床冲淤值。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的步骤1所述河道基础资料包括河道地形资料和水文资料；

所述水文资料包括流量、水位、来沙量过程资料。

上述的步骤2，根据河道地形资料，依据河流模拟理论，基于各向异性紊流模式，建立平面二维或三维水流泥沙运动数学模型。

上述的各向异性异性紊流模式用于计算x、y、z三个方向的紊动涡粘系数公式为：

ν

ν

ν

式中：ν

所述步骤3，依据水文资料作为边界资料，基于紊动涡粘系数计算结果，根据步骤2的平面二维或三维水流泥沙运动数学模型，计算水流流速u、平面涡旋区水深h、涡旋水流结构、涡旋速度u

上述的步骤4所述计算平面涡旋水流作用下泥沙的有效重力加速度，公式为：

式中：g

上述的步骤5所述修正计算平面涡旋水流作用下泥沙的沉降速度，公式为：

式中：ω

上述的步骤6所述修正计算平面涡旋水流作用下泥沙输沙能力，公式为：

式中：S

上述的步骤7所述计算获得平面涡旋水流作用下河床冲淤值，公式为：

式中：ΔZ

本发明具有以下有益效果：

本发明在涡旋水流作用导致泥沙有效(等效)重力变化时，依据平面涡旋水流作用下泥沙的有效重力修正计算平面涡旋水流作用下泥沙的沉降速度和平面涡旋水流作用下泥沙输沙能力，然后进行河床冲淤计算，可快速、准确地计算平面涡旋水流作用下的河床冲淤值，实现涡旋水流作用导致泥沙有效(等效)重力变化时的河床冲淤计算，弥补传统计算方法在涡旋区河床冲淤计算中无法适用的不足，与实际情况更为接近，可为河道综合治理与保护提供技术支撑。

本发明基于各向异性紊流模式建立平面二维或三维水流泥沙运动数学模型，可准确模拟涡旋水流结构，提高最终的冲淤计算准确性。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明建立的水流泥沙运动数学模型示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

参见图1，本发明的一种平面涡旋水流作用下河床冲淤的计算方法，包括：

步骤1、收集需计算平面涡旋水流作用下河床冲淤的河道基础资料；

实施例中，所述河道基础资料包括河道地形资料和水文资料；

所述水文资料包括流量、水位、来沙量过程等资料。

步骤2、根据步骤1的河道基础资料，依据河流模拟理论，建立平面二维或三维水流泥沙运动数学模型；

步骤3、依据步骤1的河道基础资料，根据步骤2的平面二维或三维水流泥沙运动数学模型，计算河道水流流速分布、水深、平面涡旋水流结构以及泥沙输移信息；

实施例中，步骤2，根据河道地形资料，依据河流模拟理论，基于各向异性紊流模式，建立平面二维或三维水流泥沙运动数学模型，如图2所示；

所述各向异性异性紊流模式用于计算x、y、z三个方向的紊动涡粘系数公式为：

ν

ν

ν

式中：ν

所述步骤3，依据水文资料作为边界资料，基于紊动涡粘系数计算结果，根据步骤2的平面二维或三维水流泥沙运动数学模型，计算水流流速u、平面涡旋区水深h、涡旋水流结构、涡旋速度u

与常规的各向同性紊流模式(即后面的c

步骤4、根据步骤3的计算结果，依据涡旋作用下泥沙运动受力分析和动力机理，以及流体力学运动理论，引入平面涡旋水流作用下的上升力以及对应的等效重力加速度系数，计算平面涡旋水流作用下泥沙的有效重力加速度，有效重力加速度公式为：

式中：g

实施例中，

步骤5、根据步骤4的平面涡旋水流作用下泥沙的有效重力加速度，依据泥沙沉降理论，修正计算平面涡旋水流作用下泥沙的沉降速度，公式为：

式中：ω

实施例中，实测泥沙粒径D为0.00015m，修正计算得到平面涡旋水流作用下泥沙的沉降速度ω

步骤6、根据步骤4的平面涡旋水流作用下泥沙的有效重力加速度以及步骤5修正计算得到的沉降速度，依据泥沙输沙能力理论，修正计算平面涡旋水流作用下泥沙输沙能力，公式为：

式中：S

实施例中，S

步骤7、根据步骤5修正计算得到的沉降速度(ω

式中：ΔZ

实施例中，河床泥沙密度ρ

而采用常规计算方法，计算得到的冲刷值约为0.2m，实测结果为0.6m，由此可见，采用本发明的计算方法，可准确计算平面涡旋水流作用下的河床冲淤值，与实际情况更为接近，具有很好的计算精度。由此可见，利用本发明提出的平面涡旋水流作用下河床冲淤的计算方法，可快速、准确地计算平面涡旋水流区的河床冲刷值，可为河道综合治理与保护提供技术支撑。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。