复式断面“Y”型交汇河口水流特性研究

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吴迪平原河流一般情况下,大多数都具有滩槽分明的复式断面河床,复式断面河道中的水流问题较为复杂,属于三维问题。通常在枯水期,水流主要集中在主槽内流动,洪水期水流上涨漫滩,漫滩以后形成复式河道流动,流动中滩槽水流相互掺混,由于受滩地水流拖拽阻滞作用,主槽过水能力降低。而且滩地糙率大,流速相对较小,从而使得全断面流速变小,洪水传播时间变长,洪水位上涨。水位超过滩面,形成漫滩水流,主槽较快流动与滩地较慢流动相互作用,形成大量的动量交换,这种能量交换是影响过流能力的主要原因。因此,对于复式断面“Y”型交汇河口的水流特性,研究影响行洪能力的原因及复式河道的各项水力参数是尤为重要。 交汇河口大致可分为两类:支流斜接干流型、“Y”型交汇型。“Y”型交汇河口的交汇角较大,干支流顶托作用增强,水流在汇流口处发生强烈的紊流掺混,水流能量损失很大,流速急剧降低,引起泥沙淤积,长期发展就会形成江心洲及河口拦门沙。尤其是对于具有滩地的“Y”型交汇河口的研究,水流情况更加复杂,分流作用更加明显,有待研究的泥沙问题很多,这不仅具有理论价值,而且还具实际应用价值。 我们采用交汇角为90°的复式断面“Y”型汇流河道进行试验,水槽由有机玻璃制成,在保证水槽制作理论和试验精度控制的基础上,通过对水槽内网格点上流速的量测,了解交汇口处的水力特性,进而进行研究。试验采用的测量仪器为声学多普勒流速仪(ADV),可以测量水流的瞬时三维流速并可直接获得各个紊动参数,从而研究复杂的三维水流现象,然后将实验获得数据运用Winadv、Tecplot等软件处理。利用Tecplot对测得的数据进行处理,使得交汇口及下游流速等水力特性更加形象化。数据经过处理后,分析可得到以下结论: 1、复式断面“Y”型交汇河口的流动特性是呈逆时针螺旋状的,虽然滩地影响了水流的流动特性,但总体上基本还是与“Y”型交汇河口的流动特性是相同的。 2、水流交汇后,在交汇口处水流水面形态呈中间低两边高的形态;滩地上水位出现干流侧水位低,支流侧水位高的现象。 3、复式断面“Y”型交汇河口也同样存在着分离区、流速停滞区和流速偏转区等汇流口主要水流分区。 4、河流洪水漫滩以后,在滩槽交界面附近损失了大部分能量,使洪水漫滩以后主槽的过水能力大为降低。 5、滩地、主槽交界处边界剪切应力存在较大差值,附近区域剪切应力分布最不均匀;在主槽中心区和滩地距交界面一定距离以外,剪切应力分布基本是均匀的。 6、脉动流速最大值出现在河道分离区的位置,主流线上虽然流速大,但流速变化相对稳定,所以脉动流速值较小。在近底流层的一定范围内,雷诺应力随离边壁距离增加而加大,粘滞应力相对减小。在上部流区,以紊动应力为主。 7、复式断面“Y”型交汇河口的分离区出现在交汇口下游干流和支流侧,干流侧较为明显,形状在水面下不断增大直至消失。分离区内出现回流现象,是航道整治和有关环境部门应重视的重点区域。
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