丁坝周围流动图像与局部冲刷深度

发布时间：2019-10-25 16:19

【摘要】：为了研究非淹没丁坝局部冲刷问题,分析丁坝周围流场的实验和数值模拟数据,发现马蹄涡间存在强弱对比和坝头处横向流速占优的现象,提出以5个马蹄涡组成的涡系为主体的流动简化模型,建立丁坝局部冲刷问题的计算模型.计算模型通过考虑垂向流速影响,修正平板绕流解析解,得到适合三维流动的流量计算公式;基于水流连续性和冲刷平衡条件,建立正挑矩形丁坝在清水均匀沙床面情况下最大相对冲深与相对坝长的1/2次方和无量纲流速的1次方的半理论关系,并由现有实验数据确定未知参数值.运用半理论公式得到的计算值与实测数据符合良好,表明流动简化和计算模型合理.
【图文】：

物理模型,丁坝

没丁坝周围流动情况作为研究对象：正挑矩形丁坝位于矩形槽内，槽底铺设均匀沙，远处行进水流平均流速Ｕ，且Ｕ小于槽底泥沙的起动流速（见图１）．行进水流遇到丁坝后，，流动主要分为２个趋势，表层流体上涌绕过丁坝向下游流动，另一部分流体向下运动形成马蹄涡系．流动造成坝头处形成较大冲刷坑（见图２）．本文采用统一坐标系，行进水流方向为ｘ，即纵向；丁坝坝根指向坝头方向为ｙ，即横向；按照右手螺旋确定ｚ垂直向上；取未冲刷床面、丁坝及与丁坝相交的侧壁面三平面的交图１物理模型Ｆｉｇ．１Ｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌ图２马蹄涡系［２］Ｆｉｇ．２Ｈｏｒｓｅｓｈｏｅｖｏｒｔｉｃｅｓｓｙｓｔｅｍ［２］点为坐标原点．２马蹄涡系１９６２年，Ｓｃｈｉｗｉｎｄ采用烟气法首先研究了层流情况下位于水平底面上的楔形物前的马蹄涡系随雷诺数的变化．随后，Ｋｗａｎ等［１－３，１３－１４］采用各种流动显示方法进一步加大加深了对马蹄涡系的探究：从层流扩展到紊流，从楔形物扩展到圆柱、方体，障碍物从设置在正中间扩展到位于侧壁，装置底部由水平面扩展到存在冲刷坑．这一系列的研究结果可以归纳出与本文有关的几点：ａ）在层流情况下，随着雷诺数Ｒｅ的增大，主涡个数增加，但目前最多发现为３个，Ｒｅ数再增大时，主涡间会出现自我合并；ｂ）在紊流情况下，床面附近主涡为１～３个，但在冲刷过程中随冲刷坑的增大，主涡数量减少；ｃ）当只有２个主涡时，Ｎ２明显弱于Ｎ１（离障碍物最近的主涡编号为１，向上游侧主涡编号逐渐增大），而当有３个涡时，Ｎ３明显弱于

马蹄涡

内，槽底铺设均匀沙，远处行进水流平均流速Ｕ，且Ｕ小于槽底泥沙的起动流速（见图１）．行进水流遇到丁坝后，流动主要分为２个趋势，表层流体上涌绕过丁坝向下游流动，另一部分流体向下运动形成马蹄涡系．流动造成坝头处形成较大冲刷坑（见图２）．本文采用统一坐标系，行进水流方向为ｘ，即纵向；丁坝坝根指向坝头方向为ｙ，即横向；按照右手螺旋确定ｚ垂直向上；取未冲刷床面、丁坝及与丁坝相交的侧壁面三平面的交图１物理模型Ｆｉｇ．１Ｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌ图２马蹄涡系［２］Ｆｉｇ．２Ｈｏｒｓｅｓｈｏｅｖｏｒｔｉｃｅｓｓｙｓｔｅｍ［２］点为坐标原点．２马蹄涡系１９６２年，Ｓｃｈｉｗｉｎｄ采用烟气法首先研究了层流情况下位于水平底面上的楔形物前的马蹄涡系随雷诺数的变化．随后，Ｋｗａｎ等［１－３，１３－１４］采用各种流动显示方法进一步加大加深了对马蹄涡系的探究：从层流扩展到紊流，从楔形物扩展到圆柱、方体，障碍物从设置在正中间扩展到位于侧壁，装置底部由水平面扩展到存在冲刷坑．这一系列的研究结果可以归纳出与本文有关的几点：ａ）在层流情况下，随着雷诺数Ｒｅ的增大，主涡个数增加，但目前最多发现为３个，Ｒｅ数再增大时，主涡间会出现自我合并；ｂ）在紊流情况下，床面附近主涡为１～３个，但在冲刷过程中随冲刷坑的增大，主涡数量减少；ｃ）当只有２个主涡时，Ｎ２明显弱于Ｎ１（离障碍物最近的主涡编号为１，向上游侧主涡编号逐渐增大），而当有３个涡时，Ｎ３明显弱于Ｎ１和Ｎ２，即存在明显的强弱之分．马蹄涡是
【作者单位】：浙江大学港口海岸与近海工程研究所;
【基金】：国家自然科学基金重大研究计划资助项目(91647209) 国家重点研发计划资助项目(2016YFC0402305-02)
【分类号】：TV863

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