弯道水力特性及床底冲淤的三维数值研究

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地球上几乎所有的天然河流都呈现着弯曲的特点,弯段和直段是组成河流的基本的单元。在人工航道、输水建筑物等水利工程布置时,常因地质、地形、工程结构及整体枢纽布置等条件的限制而需要设置弯道段。弯道水流流态、水面形态及河床冲淤变形特性的研究,是天然河道水流运动规律及河床演变规律的基础,被广泛应用于河流治理、人工航道、护岸工程及引水渠道等诸多领域。  由于弯道本身特殊的几何特征和边界条件,入弯后原有的水流结构会遭受破坏,导致水流流速在弯道内沿水深、河宽及流程发生重分布,且弯道自由水面由近似的水平面变为了从凸岸向凹岸逐渐升高的复杂扭面。入弯后产生的次生流和纵向主流叠加在一起形成了弯道特有的螺旋流,从而造成水流对堤身的冲蚀破坏及河床的冲淤变形等。  目前,一二维水沙数学模型尚不能解决具有明显三维特性的水沙问题。弯道水流是复杂的三维紊流,因此,应用三维水沙数学模型计算弯道水流运动结构及河床演变,效果最为理想,同时相对于物理模型试验来说,亦可以节省人力、财力和时间。  本文设计了针对改善弯道水流流态和床底冲淤的缓圆缓弯道、改善弯道水面形态的反超高弯道及两者相结合的反超高缓圆缓弯道,并通过流体计算软件MIKE3提供的非结构网格流场模型(FlowModelFM)中的水动模块(HD)及输沙模块(ST),对圆弯道、缓圆缓弯道、反超高圆弯道及反超高缓圆缓弯道进行了数值模拟研究。模拟结果表明:①加入缓变曲线的缓圆缓弯道可以明显缓解边界对水流的约束,改善弯道内水流流态,缓解弯道床底冲刷,经计算,较之圆弯道,缓圆缓弯道的冲刷量减少了38%,淤积量减少了26%;②反超高弯道能够显著降低弯道的水面超高,改善弯道水面扭曲度,其中,反超高缓圆缓弯道改善水面形态更为有效。
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