丁坝对水流交汇区影响的数值模拟研究

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为解决在交汇河道因支流汇入对主流堤岸及航道通航带来的不利影响。本文采取在交汇口下游支流对岸侧建立丁坝的方式,改变水流交汇区原有的水流结构从而达到治理河道的效果。在对物理水槽实验充分验证的基础上,基于三维k-ε紊流模型、VOF法自由液面捕捉技术、PISO压力速度耦合算法建立了关于研究丁坝对水流交汇区影响的数值模型。利用控制变量法,研究不同丁坝布置位置,不同河宽缩窄率(丁坝长度与主槽宽度之比)及主支流不同汇流比三种情况下丁坝对水流交汇区水位、流速分布、分离区和丁坝坝后回流区几何特性、紊动能及紊流耗散率分布的影响规律。主要内容及成果如下:(1)水位变化方面。在布置丁坝前,支流汇入主流后会在交汇口上游发生壅水,下游发生跌水,壅水和跌水程度随着汇流比的增加而增大。布置丁坝以后,会在丁坝侧上游发生壅水,下游发生跌水,同时丁坝会对交汇口下游主流右岸侧水位产生影响。随着河宽缩窄率的增加,丁坝上游壅水和下游跌水程度增大。随着汇流比的增加,丁坝上游壅水程度增加,下游跌水程度减小。(2)流速分布方面。在布置丁坝前,支流汇入主流后会在分离区外侧及支流对岸侧出现流速较大区域,随着汇流比的增加流速较大区域范围增大并向支流对岸侧及主流下游方向移动。布置丁坝以后,丁坝下游流速值降低可以对此侧堤岸起到较好的保护作用,同时在丁坝坝头外侧出现流速较大值,当河宽缩窄率较大时会对丁坝对岸侧堤岸稳定产生影响。(3)分离区和坝后回流区方面。在布置丁坝前,支流汇入主流后会在交汇口下游出现分离区,分离区范围随着汇流比的增加而增大。布置丁坝以后,一方面会在丁坝下游出现坝后回流区,回流区尺寸随着河宽缩窄率的增加而增加。另一方面,丁坝会影响对岸侧分离区的发展,随着河宽缩窄率的增加交汇口分离区尺寸越来越小。(4)紊动能分布方面。在布置丁坝前,支流汇入主流后会在交汇口下游出现紊动能较大值,其范围随着汇流比的增加而增大。在布置丁坝以后,一方面会在丁坝下游出现紊动能较大值,其范围随着河宽缩窄率的增加而增大;另一方面会对丁坝对岸侧交汇口下游紊动能较大值区域产生影响,随着河宽缩窄率的增加该区域紊动能较大值范围减小。(5)紊流耗散率方面。在布置丁坝前,紊流耗散率较大值出现在交汇口下游分离区外侧,紊流耗散率较大值范围随着汇流比的增加而增大。布置丁坝以后,一方面会在丁坝坝头下游出现紊流耗散率较大值,其范围随着河宽缩窄率的增加而增大;另一方面会对交汇口下游分离区外侧紊流耗散率较大值区域产生影响,随着河宽缩窄率的增加该区域紊流耗散率较大值范围逐渐减小。
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