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弯道水流是渠道和河道中常见的一种水流运动现象。弯道水流的动力特性主要集中在水而横比降、横向环流、流速重分布等方面。水流流经弯道作曲线运动,水面形态和水流结构发生调整和变化。弯道水流特性决定弯道泥沙运动和河床演变的基本规律,对河床演变、河道整治、河岸防护等都有重要的影响。在弯道凹岸设置取水口,就是充分利用了弯道环流的特点,来获取表层含泥沙量小的清水,同时防止底沙进入渠道,从而达到引水防沙的目的。目前这种工程措施在圈内外应用非常普遍,是一种较为常见的河道分流形式。
分流使河流的水流结构发生改变,引进渠道的水流和继续沿着原河道流动的那部分水流,都要发生流束的平而弯曲,这种弯曲引起的水流变化,其结果可能使大量底沙进入引水渠道。此外,水流在引水分流后,进入引水口下游河道的含沙量并没有改变,但流量的减少使河流自身输沙能力亦相应降低,破坏河道的输沙平衡,产生泥沙淤积,对分流口下游的河床断面形态产生影响,在特定条件下甚至会引起河型的转化。因此,研究分流对弯道水流水力特性的影响,在弯道整治方面具有普遍的实践意义。
弯道水流运动所涉及的物理量往往很多,边界条件复杂多变,大多数的研究都是在现有理论的指导下,以实测资料为基础,建立物理或数值模型,进行模型试验,但由于测量技术的限制,对取水口周围水流三维流态的研究还没有趋于完整的理论。基于此,本文以弯道分流水槽模型试验为基础,针对弯道水流特性,采用先进的三维声学多普勒流速仪ADV(Acoustic Doppler Velocjmeter)对弯道及取水口附近的水流流速进行系统的测量,获取了有关弯道水流的三维信息,从多方面研究分流对弯道水流流态的影响,最终通过对取水口周围目弯道水流三维流场水力特性进行深入地分析研究,为解决同弯道有关的工程问题及其它特性研究提供理论依据。
本文采用平底有机玻璃水槽进行概化模型试验,分析了弯道及取水口周围三维水力特性,分别对不同方案情况下弯道自由水面形态、纵向流速分布、横向环流强度、紊动强度分布、雷诺应力分布的变化规律进行了比较研究。研究得出,分流使弯道水流的水力特性更加复杂,自由水面形态发生变化。在流量相同的情况下,随着分流比的增加,主流线的位置发生变化,分流对横向环流削弱的能力加大,底部水体进入取水口的流量和弯道出口处的回流区均加大。在分流比相同情况下,随着流量的增加,分流对横向环流强度的削弱能力减弱,横向环流相对较强,底部水体进入取水口的流量和下游的回流区增大。紊动强度分布和雷诺应力的分布变化也由于分流的影响而变的更加复杂。