不同组合下双丁坝对弯道内水力特性的影响试验及数值模拟研究

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L型和T型丁坝能减少坝头水毁现象的发生,改善通航条件、减少沙滩受到的侵蚀,探究其组合而成的双丁坝对弯道内水力特性的影响,一方面可增进对丁坝水力学特性、弯道水流特性的了解,另一方面可为丁坝在河道整治、航道建设、沙滩养护等实际工程中的运用提供参考。本文以L型和T型丁坝组合而成的双丁坝为研究对象,采用物理试验和数值模拟两种方法对不同组合下双丁坝在U型弯道明渠水槽的水力特性进行研究。物理试验通过水槽模型试验进行,改变双丁坝的坝体间距、首丁坝坝身长度、挑角,分析了弯道沿程水位、水面横比降、水面纵比降、流速的变化规律。数值模拟通过ANSYSCFD进行,建立了与物理模型尺寸相同的数值模型,用物理试验结果对数值模型进行了验证,在此基础上进一步分析了不同排列顺序下弯道内流速、坝后回流区、湍动能、涡流粘度的变化规律,得到以下主要结论:(1)在弯道布设丁坝组合后,水流开始分层,产生主流区和回流区。主流区主槽收缩,流速变大,回流区有逆时针漩涡产生,流速变小。凸岸水位和凹岸水位在丁坝组合布设处均达到一个极大值。在丁坝组合的下游,凹岸水位下降幅度大。(2)丁坝组合的坝体间距增大,弯道沿程凸岸和凹岸的水面纵比降变化幅度减小,坝后凹岸的低流速区变长。对比不同坝体间距的丁坝组合,当间距/河宽为3/4时,弯道水流更平顺,对凹岸的保护作用更明显。(3)在丁坝组合中,首丁坝坝身长度增加,水位变化幅度增大,最大水面横比降值有所增加,凸、凹两岸的水面纵比降变化幅度增大。故当首丁坝为短丁坝时,能更好地引导水流,更利于减小弯道上的横向环流和螺旋流,水流更平顺,能更好起到保护河岸的作用。(4)在丁坝组合中,挑角45°和135°时,凸岸的水流更加平缓;挑角为90°和135°时,进水口附近水面横比降更稳定;挑角为135°时,坝后凹岸的水面纵比降更早趋于0,在沿程的水面纵比降变化幅度最小,并且坝后流速回升最慢,对坝后凹岸的保护长度最长。在135°弯道之后,挑角45°和挑角90°产生的减缓流速的作用不明显,挑角135°仍能产生减缓流速的作用。对比不同挑角的丁坝组合,当设置挑角为135°时,沿程的弯道水流更平顺,保护凹岸的效果更好。(5)对比不同排列顺序下的丁坝组合,当排列顺序为L型丁坝+L型丁坝时,坝间湍动能最小,坝翼附近形成一个小漩涡,坝后凹岸形成明显逆时针漩涡,涡流粘度值最小,坝后凹岸的低流速区最长,对凹岸的保护范围最广,坝后回流区长度较长、宽度较宽,有利于防止水流对凹岸的冲刷。近表层和近底层的沿程流速、湍动能、涡流粘度变化趋势基本一致。近表层的湍动能和涡流粘度大于近底层的湍动能和涡流粘度。丁坝组合后的回流区长度和回流区宽度呈正比关系。(6)物理试验所得结果更具有说服力,但数据采集耗时较长、工作量大,数据为单点数据。数值模拟节省材料、时间,能反映水流在弯道内各位置的运动状态,但操作过程较复杂,结果会随着条件设置的不同而出现不同。故合理地将物理试验和数值模拟这两种方法结合起来,能节省材料和时间,所得结果更加可靠、完整和直观,能更系统地研究丁坝水力学特性和弯道水流特性。
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