黄河坝垛工程水下根石冲揭机制初步探讨

发布时间：2020-05-01 11:40

【摘要】：坝垛工程是黄河河道整治的一项重要举措,坝垛工程的稳定性将会直接影响黄河堤防安全。坝垛工程一般采用散抛根石护根,因此,研究水下根石冲揭机制对坝垛工程的设计和出险预防有着重要意义。开展了单个根石块体水下受力测试的水槽试验试验,利用FLOW-3D计算流体力学软件对该试验进行模拟,对比分析了试验结果试验和数值结果的差异性,结果表明数值模型得出的流速和拖曳力系数与试验结果吻合良好。试验过程中,通过改变流速、块体形状和块体尺寸,测试根石受力大小,得出了根石块体在水流作用下的水平拖曳力和水平拖曳力系数。相比长方体根石,球体根石的拖曳力系数较为稳定,变化范围为0.4~0.5。对于长方体根石,块体的拖曳力系数受块体雷诺数和块体尺寸的影响较大,拖曳力系数通常会随着块体雷诺数、长高比和宽高比的增大而增大,最终趋于稳定,其值介于0.8~1.1之间。按照实际坝垛工程1:100的比例建立坝垛工程河道物理模型以及FLOW-3D数值模型,对比分析了物理试验和数值模拟的差异性,发现数值模拟对坝垛工程河道水流的流场模拟和根石受力上计算准确。分析了不同流量下坝垛工程流场变化情况,最大流速出现在距离右岸2.0 m的河道区域,其中坝垛上跨角和坝前头附近的流速大于坝垛其余区域的流速,这是坝垛最容易发生险情的区域。对紊动能进行了分析,发现上跨角的紊动能最大,是最容易出险的地方,需要格外的注意。计算不同流量下的拖曳力系数,物理模型的拖曳力系数为0.84,数值模拟的拖曳力系数为0.86,两者比较接近,因此,在前期分析过程中,可以采用数值模型试验计算河道流场以及不同区域的水流作用力,初步判断水下根石是否会出现冲揭走失。
【图文】：

研究路线示意图

球体直径；p 为球体密度； 为流体密度；u为流；dpdz为压强梯度；DC 是拖曳力系数；LC 是上举pu为相对速度； 为相对加速度，pdu dudt dt ；性系数；dudy为流场流速梯度。块体的作用力可以简化成水平方向的拖曳力和垂力是研究泥沙起动时作用在泥沙颗粒上两个重要力以参考泥沙颗粒受力。水流经过颗粒块体时，流线发生了变化，产生了压力差，其中前后压力差形成合并称为拖曳力DF ，方向与水流方向一致；上下擦力统称为上举力LF ，，方向与水流方向垂直。水要示意图如下图所示。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV85

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本文编号：2646606