丁坝是一种常见的水工建筑物,广泛应用于治河工程、防洪工程、航道整治工程以及生态修复工程。丁坝的布置改变了原有河床过水断面的形态,引起周围水流结构的调整,并导致河床局部地形产生较大的冲淤变化。充分理解丁坝绕流流场结构,掌握丁坝局部冲淤特征,无论对于营造工程所期望的流场环境,还是对于丁坝自身的安全都具有十分重要的意义。丁坝的布置方式及结构形式伴随着工程实践及科学研究的深入而不断发展完善,但是丁坝的毁坏仍时有发生,对实际工程形成极大的威胁与破坏。除了实际现场环境的极端复杂外,关于丁坝绕流流场特性和局部冲刷机理的认识还有待进一步的提高。本文在利用水槽实验对模型充分验证的基础上,基于三维湍流模型、VOF法自由面捕捉技术,以及多相流模式的悬移质输沙与传统推移质输沙相结合的泥沙冲刷侵蚀模型,对丁坝绕流流场以及丁坝局部冲淤变化过程进行数值模拟研究。主要内容和成果如下:(1)进行不同流量不同水位条件下单丁坝及丁坝群附近流场及局部冲淤形态水槽试验,采用声学多普勒流速仪(ADV)精确测量了冲刷坑情形下的丁坝绕流流场三维流速,并测量了冲刷坑形态。采用Zhang Hao单丁坝试验结果及本次水槽试验结果,对湍流模型,泥沙模型参数及网格进行了充分的率定与验证,确定了合理的湍流数学模型及数值模拟计算方案。(2)对单丁坝在定床和动床冲淤过程中的回流区、空间流线、三维速度场、紊流场、床而剪切应力等流场特征进行了详细对比,分析了相关特征物理量随着冲淤发展的变化规律,进一步明晰了冲淤变化发生发展的动力学机制。受丁坝阻挡及导流作用,在坝头侧后方形成了局部高速区即高剪切力区,冲刷首先在这一区域快速发展,并在双向涡旋的作用下逐渐向次高流速区扩展,初始的局部冲坑使得丁坝头部下潜流强化,导致冲刷向丁坝上游及侧后扩展。床而剪切应力随着冲刷深度增加范围扩大而减小,直至形成新的平衡。而高紊动主要发生在主流和回流交界的下游区域,与局部冲刷的关联不大。(3)模拟了0.1-0.4七种河宽缩窄率(丁坝长度与河宽的比值)下正挑单丁坝绕流流场和局部冲刷情况,分析了河宽缩窄率对自由水而形态、回流区范围、流速场、紊动能、床面剪切应力、局部冲刷形态变化的影响。随着河宽缩窄率的增大,丁坝水面跌落(堰效应)、局部高流速区(床面高切应力区)的范围及强度,回流区范围、局部冲坑的范围及最大冲刷深度均近似呈线性增长,但是与丁坝长度的相对比值均呈下降的趋势。当河床河宽缩窄率超过0.3时,冲刷可以影响到对岸。(4)模拟了从0.2-0.6五种弗劳德数和三种泥沙粒径下正挑单丁坝绕流流场及局部冲刷形态,结果表明弗劳德数对丁坝流场和局部冲刷有显著影响。当弗劳德数小于0.4时,受丁坝的顶托作用,丁坝上游侧的主流提前分离,与丁坝头的分离间形成次主流区,当弗劳德数大于等于0.4时,由于惯性作用,次主流区消失,上游侧回流区形成。弗劳德数等于0.6时主流在对岸形成了折冲效应,丁坝下游的回流区受到抑制,而对岸却形成回流区。冲刷深度也随弗劳德数的增加而增加,当弗劳德数大于0.4时,冲刷增长显著,这种情况在小粒径情况下尤为明显。(5)模拟分析了 2L、3L、4L三种丁坝群间距和三种泥沙粒径下由四个丁坝组成的丁坝群绕流流场及局部冲刷特性。本研究的丁坝间距均小于首丁坝的回流区范围,主流都约束至丁坝另一侧区域,因此丁坝间距对丁坝群绕流主流结构场的影响并不显著。首丁坝的冲刷坑最大,后续丁坝的冲刷逐渐减轻,较小丁坝群间距下冲坑易于连成一体,且丁坝上下侧的冲刷也小,间距加大时冲坑变得不连续,且丁坝自身上下侧的冲刷增强。