弯曲型复式河槽水流特性数值模拟研究
发布时间：2021-11-11 08:05
天然弯曲河道在弯道环流及水沙交换作用下形成弯曲型复式河槽,水流受诸多因素影响而呈现复杂的三维性。枯水季节水流主要在弯曲主槽内流动,其水流特性仅具有弯道水流的特点;洪水季节过水流量增大形成漫滩水流,其水流特性不仅具有弯道水流特点,同时受滩槽水流交换作用影响使水流结构发生显著变化。弯曲型复式河槽因其特殊的边界条件使水流结构变得复杂,其研究对防洪工程的安全及天然河道的演变具有重要意义。本文在前人研究基础上,以已有弯曲型复式河槽试验为验证依据,采用RNG k-ε紊流模型计算不同断面形态下弯曲型复式河槽的水流特性,分析了不同漫滩水流条件下弯曲型复式河槽的流速分布、二次流特性,同时分析了主槽边坡系数、水深及滩地宽度对水流特性的影响,并与顺直型复式河槽的水流特性进行了对比,得出以下主要结论:（1）漫滩条件下,横向水面线分布呈下凹曲线,下凹程度随水深的增大而减小,且随主槽边坡系数增大或滩地宽度减小而增大。（2）漫滩条件下,滩槽水流作用改变了由弯道产生的二次流结构,相邻上、下游弯顶断面产生的二次流漩涡大小一致、方向相反,且主槽纵向流速等值线呈螺旋状、方向相反;滩槽交界处二次流强度随主槽边坡系数增大而增大...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
弯曲型复式河道Fig.1-1Curvedcompoundchannels弯道水流在主槽和滩地的共同作用下水力特性极为复杂，为研究方便，吉祖稳、胡春宏[5]等根据漫滩水流的特征将复式河槽断面分为主槽平衡区（Ⅰ）、滩槽交互区（Ⅱ）、
换デ?Φ乃?魇芴?地与主槽相互作用具有明显的三维特征。枯水季节，上游来流量小，水深较低，水流主要集中在弯曲主槽中流动；汛期时，上游来流量大，水深较大，水流漫过滩地形成漫滩水流，水流在主槽中沿弯道流动以外，部分水流漫过滩地横向运动，水流结构随过水断面形态的变化而变化，在滩槽水流相互作用下，滩槽交互区内发生强烈的动量交换，并在滩槽交互区处形成垂向漩涡及二次流[6]。在漫滩水流的作用下，滩槽间的水沙交换不断增大，并对弯道内的物质交换与能量交换产生了一定影响，致使河道内水流运动变得极为复杂。图1-2顺直复式河槽断面分区示意图[5]Fig.1-2Sectionaldivisiondiagramofstraightcompoundchannel[5]近十几年来，国内外诸多学者对顺直型复式河槽水流特性的研究已较为成熟，但对弯曲型复式河槽还有诸多问题尚未解决。弯曲型复式河槽在枯洪水流的交替作用下，滩槽交互区的紊流场更为复杂，加上弯道环流作用，其水流特性与顺直型复式河槽具有较大差异。如渭河下游及长江中下游的弯曲型复式河槽，枯洪水对河道演变的影响较大，滩槽交互区冲淤变化较顺直段更为明显，直接影响了河道内泥沙输移及污染物扩散规律，对堤防工程、河道取水及航运工程的运行造成了一定影响。因此，本文对弯曲型复式河槽的水流特性研究不仅具有重要的理论意义，同时还具有一定的工程实用价值。1.2国内外研究进展对于一般顺直型复式河槽，当来流过大时，水流漫过滩地形成漫滩水流，主槽水体与滩地水体相互作用，在滩槽交互区形成垂向漩涡，在主槽边壁处形成二次流，直接改变了断面的剪应力分布进而影响了河槽的过流能力。而对于弯曲型复式河槽，漫滩水流除了受滩槽水体相互作用外，还将受到弯道环流的影响，其水流结构较顺直型复式河槽更为复杂。目前国
第1章绪论3平衡区及边壁区水流不受滩槽相互作用的影响，水流特性与单一河槽相似，滩槽交互区的水体受滩槽相互作用影响，水力特性与单一河槽相差较大。图1-3顺直型复式河槽漫滩后的水流结构[7]Fig.1-3Flowstructureafterfloodplaininstraightcompoundchannel[7]1）流速横向分布诸多学者对顺直型复式河槽水流流速的横向分布进行了研究，并得到了以下成果[8-12]：（1）水流粘滞性及滩槽水体的相互作用使滩槽交界处发生剧烈的动量交换，主槽流速减小，滩地流速增大。（2）滩槽交界处的水流流速梯度最大，距滩槽交界处越远，流速分布较为均匀。（3）随水深的增大，滩槽间的流速差逐渐减小，断面流速分布趋于均匀；（4）靠近滩地边壁处的流速基本不受滩槽水流动量交换的影响，其特点与单一河槽相似。2）垂线平均流速横向分布研究顺直型复式河槽的垂线平均流速横向分布对河床演变及污染物输移扩散具有一定意义。庞炳东[13]通过实验发现，滩槽交互区的流速分布与水深密切相关，滩槽水体流速差随水深增大而减小；谢汉祥[14]根据实测资料分析了滩槽水体间的动量交换特性，假定相同结构形式的纵、横向的紊动交换系数，推导了垂线平均流速的横向分布计算公式；ShionoandKnight[15]在考虑二次流的情况下，得到了计算垂线平均流速分布的SKM法；DAlanErvine等[16]通过简化沿水深方向N-S方程中的二次流项，并引入了二次流系数，最终得到了垂线平均流速的横向分布；Rameshwaran&Shiono[17]对沿水深方向的N-S方程进行求解，得到了复式河槽断面垂线平均流速的二维解析解，其结果与实测值相吻合，较能准确地应用于复式河槽的横向流速分布计算。3）二次流在顺直型复式河槽中，水流漫滩后，在滩槽交互区发生强烈的混掺和碰撞，并在滩槽交界处形成垂向漩涡和?
【参考文献】：
期刊论文
[1]弯曲复式河槽水流泥沙因子的横向分布模型及其应用[J]. 张明武,彭红. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2018(05)
[2]弯曲复式河道水流特性数值模拟研究[J]. 程凯,沈锐燕,唐勇,周晓泉. 人民长江. 2018(07)
[3]复式渠槽水沙输移特性研究综述[J]. 王齐,董耀华,渠庚. 人民长江. 2015(22)
[4]Simple analytical model for depth-averaged velocity in meandering compound channels[J]. Yuqi SHAN,Chao LIU,Maokang LUO. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2015(06)
[5]论植物过滤系统在城市河流景观中的作用[J]. 田勇. 中南林业科技大学学报. 2013(10)
[6]基于复式断面河道水力特性的分区防护设计研究[J]. 王旭,张雅卓,赵新,练继建. 水利水电技术. 2013(07)
[7]植被作用下的弯曲复式河槽漫滩水流2维解析解[J]. 刘超,杨克君,刘兴年,黄尔. 四川大学学报(工程科学版). 2012(06)
[8]考虑滩地植被的复式断面河道水流的二维解析解[J]. 槐文信,高敏,曾玉红,李丹. 应用数学和力学. 2009(09)
[9]滩地植被下复式河槽水流特性试验研究[J]. 王海胜,杨克君,刘兴年,乔昌凯. 人民黄河. 2009(06)
[10]植被作用下的复式河槽漫滩水流紊动特性[J]. 杨克君,刘兴年,曹叔尤,张之湘. 水利学报. 2005(10)
博士论文
[1]塔里木河流域社会-生态-水资源系统耦合研究[D]. 张沛.中国水利水电科学研究院 2019
[2]水沙两相紊流数学模型及其在近岸泥沙运动中的应用[D]. 陈鑫.清华大学 2012
[3]复式河槽水流阻力及泥沙输移特性研究[D]. 杨克君.四川大学 2006
硕士论文
[1]复式河槽水流特性数值模拟及流量计算方法对比与分析[D]. 杨坡.西安理工大学 2019
[2]顺直型复式河道断面的水力学特性研究[D]. 胡红胜.西安理工大学 2017
[3]弯曲复式河槽水流特性试验研究[D]. 王齐.长江科学院 2016
[4]基于物理模型的三维水流模拟研究[D]. 魏喜飞.河北工程大学 2012
[5]复式河道水流特性数值模拟研究[D]. 孙丽.河海大学 2007
[6]复式河槽水沙运动数值模拟[D]. 石荣荣.四川大学 2006
[7]三维湍流流场数值计算方法的研究[D]. 韩冰冰.西北工业大学 2006
本文编号：3488500
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
弯曲型复式河道Fig.1-1Curvedcompoundchannels弯道水流在主槽和滩地的共同作用下水力特性极为复杂，为研究方便，吉祖稳、胡春宏[5]等根据漫滩水流的特征将复式河槽断面分为主槽平衡区（Ⅰ）、滩槽交互区（Ⅱ）、
换デ?Φ乃?魇芴?地与主槽相互作用具有明显的三维特征。枯水季节，上游来流量小，水深较低，水流主要集中在弯曲主槽中流动；汛期时，上游来流量大，水深较大，水流漫过滩地形成漫滩水流，水流在主槽中沿弯道流动以外，部分水流漫过滩地横向运动，水流结构随过水断面形态的变化而变化，在滩槽水流相互作用下，滩槽交互区内发生强烈的动量交换，并在滩槽交互区处形成垂向漩涡及二次流[6]。在漫滩水流的作用下，滩槽间的水沙交换不断增大，并对弯道内的物质交换与能量交换产生了一定影响，致使河道内水流运动变得极为复杂。图1-2顺直复式河槽断面分区示意图[5]Fig.1-2Sectionaldivisiondiagramofstraightcompoundchannel[5]近十几年来，国内外诸多学者对顺直型复式河槽水流特性的研究已较为成熟，但对弯曲型复式河槽还有诸多问题尚未解决。弯曲型复式河槽在枯洪水流的交替作用下，滩槽交互区的紊流场更为复杂，加上弯道环流作用，其水流特性与顺直型复式河槽具有较大差异。如渭河下游及长江中下游的弯曲型复式河槽，枯洪水对河道演变的影响较大，滩槽交互区冲淤变化较顺直段更为明显，直接影响了河道内泥沙输移及污染物扩散规律，对堤防工程、河道取水及航运工程的运行造成了一定影响。因此，本文对弯曲型复式河槽的水流特性研究不仅具有重要的理论意义，同时还具有一定的工程实用价值。1.2国内外研究进展对于一般顺直型复式河槽，当来流过大时，水流漫过滩地形成漫滩水流，主槽水体与滩地水体相互作用，在滩槽交互区形成垂向漩涡，在主槽边壁处形成二次流，直接改变了断面的剪应力分布进而影响了河槽的过流能力。而对于弯曲型复式河槽，漫滩水流除了受滩槽水体相互作用外，还将受到弯道环流的影响，其水流结构较顺直型复式河槽更为复杂。目前国
第1章绪论3平衡区及边壁区水流不受滩槽相互作用的影响，水流特性与单一河槽相似，滩槽交互区的水体受滩槽相互作用影响，水力特性与单一河槽相差较大。图1-3顺直型复式河槽漫滩后的水流结构[7]Fig.1-3Flowstructureafterfloodplaininstraightcompoundchannel[7]1）流速横向分布诸多学者对顺直型复式河槽水流流速的横向分布进行了研究，并得到了以下成果[8-12]：（1）水流粘滞性及滩槽水体的相互作用使滩槽交界处发生剧烈的动量交换，主槽流速减小，滩地流速增大。（2）滩槽交界处的水流流速梯度最大，距滩槽交界处越远，流速分布较为均匀。（3）随水深的增大，滩槽间的流速差逐渐减小，断面流速分布趋于均匀；（4）靠近滩地边壁处的流速基本不受滩槽水流动量交换的影响，其特点与单一河槽相似。2）垂线平均流速横向分布研究顺直型复式河槽的垂线平均流速横向分布对河床演变及污染物输移扩散具有一定意义。庞炳东[13]通过实验发现，滩槽交互区的流速分布与水深密切相关，滩槽水体流速差随水深增大而减小；谢汉祥[14]根据实测资料分析了滩槽水体间的动量交换特性，假定相同结构形式的纵、横向的紊动交换系数，推导了垂线平均流速的横向分布计算公式；ShionoandKnight[15]在考虑二次流的情况下，得到了计算垂线平均流速分布的SKM法；DAlanErvine等[16]通过简化沿水深方向N-S方程中的二次流项，并引入了二次流系数，最终得到了垂线平均流速的横向分布；Rameshwaran&Shiono[17]对沿水深方向的N-S方程进行求解，得到了复式河槽断面垂线平均流速的二维解析解，其结果与实测值相吻合，较能准确地应用于复式河槽的横向流速分布计算。3）二次流在顺直型复式河槽中，水流漫滩后，在滩槽交互区发生强烈的混掺和碰撞，并在滩槽交界处形成垂向漩涡和?
【参考文献】：
期刊论文
[1]弯曲复式河槽水流泥沙因子的横向分布模型及其应用[J]. 张明武,彭红. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2018(05)
[2]弯曲复式河道水流特性数值模拟研究[J]. 程凯,沈锐燕,唐勇,周晓泉. 人民长江. 2018(07)
[3]复式渠槽水沙输移特性研究综述[J]. 王齐,董耀华,渠庚. 人民长江. 2015(22)
[4]Simple analytical model for depth-averaged velocity in meandering compound channels[J]. Yuqi SHAN,Chao LIU,Maokang LUO. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2015(06)
[5]论植物过滤系统在城市河流景观中的作用[J]. 田勇. 中南林业科技大学学报. 2013(10)
[6]基于复式断面河道水力特性的分区防护设计研究[J]. 王旭,张雅卓,赵新,练继建. 水利水电技术. 2013(07)
[7]植被作用下的弯曲复式河槽漫滩水流2维解析解[J]. 刘超,杨克君,刘兴年,黄尔. 四川大学学报(工程科学版). 2012(06)
[8]考虑滩地植被的复式断面河道水流的二维解析解[J]. 槐文信,高敏,曾玉红,李丹. 应用数学和力学. 2009(09)
[9]滩地植被下复式河槽水流特性试验研究[J]. 王海胜,杨克君,刘兴年,乔昌凯. 人民黄河. 2009(06)
[10]植被作用下的复式河槽漫滩水流紊动特性[J]. 杨克君,刘兴年,曹叔尤,张之湘. 水利学报. 2005(10)
博士论文
[1]塔里木河流域社会-生态-水资源系统耦合研究[D]. 张沛.中国水利水电科学研究院 2019
[2]水沙两相紊流数学模型及其在近岸泥沙运动中的应用[D]. 陈鑫.清华大学 2012
[3]复式河槽水流阻力及泥沙输移特性研究[D]. 杨克君.四川大学 2006
硕士论文
[1]复式河槽水流特性数值模拟及流量计算方法对比与分析[D]. 杨坡.西安理工大学 2019
[2]顺直型复式河道断面的水力学特性研究[D]. 胡红胜.西安理工大学 2017
[3]弯曲复式河槽水流特性试验研究[D]. 王齐.长江科学院 2016
[4]基于物理模型的三维水流模拟研究[D]. 魏喜飞.河北工程大学 2012
[5]复式河道水流特性数值模拟研究[D]. 孙丽.河海大学 2007
[6]复式河槽水沙运动数值模拟[D]. 石荣荣.四川大学 2006
[7]三维湍流流场数值计算方法的研究[D]. 韩冰冰.西北工业大学 2006
本文编号：3488500
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