山区不同宽窄比河道的数值模拟研究

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四川以山地为主,地形较为复杂。地势与降雨量的不均匀,使该地区的河流易形成宽窄相间型,同时河流的两岸也会形成不规则的边滩。雅安市宝兴河的两条分支中岗沟与邓池沟,丰平枯三个时期水量的变化对河道边界形态会产生一定的冲刷变形,对两岸植被的生长影响较大。本文以流量、宽窄比(整个河道最宽处与最窄处的比值)两个变量,以宝兴河两个分支为研究对象进行探究,通过实地勘测和数值模拟,对中岗沟与邓池沟内部流场进行分析,得到断面平均流速、剪切力、紊动特性、回流区等各个水力要素对河床及边滩侵蚀的规律。主要结论如下:(1)在同一流量和宽窄比条件下,邓池沟河道中渐缩断面水流内部存在漩涡,动能转化为热能导致能量耗散,相同宽度的渐缩断面时均流速略小于渐扩断面,并且最窄断面与最宽处的时均流速变化比值随着宽窄比的增大而增大。在同一流量不同宽窄比条件下,随着宽窄比的增大,断面时均流速沿程逐渐减小。随着流量的增大,中岗沟河道断面平均流速沿程逐渐增大,但渐扩段和均匀段增加幅度呈现先增加再减小趋势,而渐缩段呈现增大趋势。(2)流量或者宽窄比变化时,床面剪切力最大值出现在最窄断面处,最小值出现在最宽断面处,并且相同宽度的渐扩断面床面剪切力大于渐缩断面的。边壁剪切力随着流量的加大而增大,对两岸掏蚀损坏程度也在不断加大,不利于边滩的稳定。(3)同一流量下,随着宽窄比的增大,对称性河道最宽处的两侧逐渐出现回流区,回流区的形状随着宽窄比增大而逐渐变化,形状上满足无量纲化的二次函数关系L*=-1.0898B*~2+2.4609B*+0.0156。对于非对称河道,流量漫过边滩时,也会出现回流区,其回流区的中心位置会随着流量的增加而移动,左岸逐渐后移,右岸逐渐前移,该物理现象对河道的整治有一定的指导意义。(4)同一流量下,回流区内最小流速随着宽窄比的增大呈现先增大后减小的变化趋势,即在宽窄比4:1与宽窄比5:1之间的回流区流速出现了拐点,为临界宽窄比,这有利于研究河道中的泥沙落淤的变化。
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