丁坝对弯道水流特性影响分析

丁坝有调整河道流势的作用,是常见的水工构筑物。文章通过实验分析河道丁坝布设位置对弯道水流特性的影响。结果表明：丁坝的布设离弯道入口越近,处于坝前的水流流速越小,处于坝头的水流流速越大;短丁坝设置在弯道45°位置和90°位置时,左岸水流流速呈先减小再增大趋势,右岸水流流速呈先增大再减小趋势。以上研究可为丁坝建设工程提供参考。     

明渠弯道水流运动规律研究现状

自然界中河流经常是弯曲的,使得弯道环流研究成为水力学及河流动力学最重要的课题之一。明渠弯道水流运动规律的研究主要包括弯道水面横比降、横向环流垂线分布和环流流速沿程分布等方面。本文对这三方面的研究成果进行了归纳与分析,并对弯道水流运动规律的研究现状进行了评述。通过罗索夫斯基的实验资料对弯道环流流速分布公式和环流流速沿程分布公式进行了检验比较,向工程界推荐出相应的计算公式。     

连续弯道水流运动的三维数值模拟

基于雷诺方程和有限体积法建立了描述连续弯道水流的三维数学模型,用Shukry的强弯道试验结果对数学模型进行验证.结果表明,该模型能够很好地模拟弯道内水流的流速分布.采用该模型模拟了在不同弯曲度的连续弯道中的水流运动,结果表明:水流流速在弯顶靠近凸岸处较大,而凹岸处较小,弯顶处的水流断面流速分布和下一个弯顶处呈横向对称,且在两弯顶中间形成过渡.由于水流凸岸流速大于凹岸,因此当河岸类型为可侵蚀河岸时,凸岸将可能向后崩退,形成切滩.随着弯曲度的增大,弯道水流动力轴线更贴近凸岸.当河道弯曲到一定程度,一旦遇到洪水,很可能冲开河岸的束缚发生裁弯取直现象,并发展出新的河道.     

丁坝群对弯道水力特性影响的数值模拟研究

弯道螺旋流是弯道水流的特点之一,弯道环流会造成凸岸发生淤积,凹岸遭受冲刷,对护岸工程非常不利。在弯道中布设丁坝可有效减弱弯道螺旋流强度,改善水流流态,保护岸坡稳定。采用RNGk-ε湍流模型,应用VOF法捕捉自由水面,采用半隐式SIMPLE算法求解速度与压力耦合方程组,模拟在60°弯道内布设丁坝群后弯道水流特性。研究表明:数值模拟的水位、流速和试验数值据吻合良好。弯道内设置丁坝群后,可有效改善凹岸区域的冲刷及凸岸的淤积,主河槽的水深增加,水面横比降减小,说明丁坝群的布置在稳定弯道水流,防止岸坡冲於方面有较好的效果。     

急弯段闸孔出流的弯道水流特性研究

在河弯处修建水工建筑物时,研究弯道水流特性对水工建筑物布置的影响十分重要。采用RNCκ-ε紊流模型对急弯段闸孔出流的弯道水流进行了三维数值模拟。通过模拟计算,比较分析了急弯段不同闸位、不同流量条件下闸孔过流时的流速分布、紊流动能、压强分布和环流等相关水流特性与变化规律。分析研究结果表明,闸坝位于弯道上游时,弯道对闸坝过流的影响最小,但需对闸坝下流弯道凸岸岸坡附近区域采取一定的防护措施;闸坝布置在弯道中游时,过闸水流受弯道的影响最小,闸室水流的稳定性、闸门的工作安全以及闸墩的空蚀破坏都是实际工程中需要注意的重点。数值模拟验证与物理模型试验结果吻合较好,计算精度较高,能够满足相关计算研究要求。     

糙条消能工对弯道水流动能调整试验研究

糙条消能工是一种新型消能工程措施。结合新疆"635"溢洪道整治工程,采用糙条对弯道水流进行消能辅助,通过改变糙条的布置型式,设置6种不同工况,对加糙水位变化率、水面线、横断面均匀度、水面横比降、断面流速分布、下游水流恢复长度、断面动能计算和动能调整系数等评价指标进行了分析。研究结果表明:有糙条工况能够增大加糙水位变化率,弯顶断面加糙水位变化率的变化不同于其他弯段断面;糙条高度的增大和条距的减小对弯道水流及下游出口水流有良好的改善效果;通过对弯道段典型断面的动能计算,得出糙条的设置可大幅度削减水流的动能,改变动能调整系数,进一步说明糙条消能工对弯道水流动能有很大的调整作用,突显了糙条消能工良好的消能辅助作用。     

U形弯道水流试验及其数值模拟

弯道水流运动是河流动力学研究的基本问题之一,长期以来,其复杂的三维水流结构一直是研究者关注的重点。弯道水流在重力及离心力的共同作用下,形成弯道螺旋流,与顺直河道相比,具有特有的运动特性,主要表现在产生水面横比降、横向环流、流速重分布等方面。用声速多普勒流速仪（ ADV ）,对室内 U 形弯道水流结构进行了详细的测量,分析表明弯道环流出现了较为明显的双涡二次流变化过程。此外,试验验证结果表明雷诺应力模型（ RSM ）能较好地模拟弯道环流双涡二次变化过程,为深入分析弯道水流特性及其对泥沙运动、河床演变等影响问题提供了科学方法。     

弯道悬沙特性试验研究

本文重点研究弯道悬沙水流的水力特征和泥沙特征变化以及弯道半径对其影响。试验表明,弯道悬沙水流水面横比降与清水相比略有差异,悬沙水流较清水时弯道水面横比降小,弯道半径越大,差异越小。水流入弯道后,水流流速、水流含沙量以及悬沙粒径均进行了重分布。弯道凹凸岸最大流速调整位置随弯道半径的减小而下移。弯道内凸岸含沙量逐渐增加,悬沙粒径也逐渐增粗,在弯道末端断面,凸岸含沙量与凹岸含沙量比值达到最大值,相应凸岸悬沙中值粒径与凹岸悬沙中值粒径比值也达到最大。弯道半径不同,泥沙在横向调整程度也不同。     

分流对弯道水流水力特性的影响

采用平底有机玻璃水槽进行概化模型试验,分析了弯道及取水口附近三维水力特性,对弯道自由水面形态、纵向流速分布、横向环流强度的变化规律进行了研究,同时重点分析了设置取水口后,分流对弯道水流流态的影响,结果表明：分流使弯道水流水面形态发生改变,最终导致弯道断面出现横向环流,弯道取水口口门下游段凸岸侧存在明显的回流区;在取水口上游河段,主流线在弯道中轴线附近摆动,并逐渐向取水口中轴线靠拢,纵向流速总体变化为表层最大、底层最小。     

透水斜槛对溢洪道泄槽弯道水流改善效果试验

为了探索透水斜槛对溢洪道泄槽弯道水流的改善效果,在弯道底板布置了5道斜角45°透水率分别为27.9%、37.9%、49.5%的透水斜槛进行了模型试验。利用试验结果,计算了弯道横断面水面均匀度及提高率、凹凸岸水面差及减少率等指标,以此分析不同透水率斜槛、不同流量条件下弯道段水流的改善效果影响。结果表明:弯道设置透水斜槛后能够改善弯道水流,提高弯道水流均匀度,降低凹凸岸水面差;透水率对水流改善效果有影响,在相同流量情况下,透水率越小,斜槛对水流改善的效果越好;斜槛改善水流的效果随流量变化,流量越小,改善效果越明显。但就弯道横断面水面均匀度改善效果而言,不同透水率、不同流量之间相差不大。     

弯段溢洪道导流墩联合糙条消能工水力特性试验研究

由于弯道离心力与边墙的作用,导致溢洪道内产生水面超高、横向冲击波等问题。为了充分体现加设导流墩糙条后对溢洪道内水力特性影响,通过对曲率半径与底宽比值为2. 2的60°弯段溢洪道试验研究,得到了不同试验方案下溢洪道各典型横断面的水深与水流动力轴线分布规律。结果表明:导流墩布设位置和个数均可以一定程度地改善溢洪道内水面结构形态,单一形式导流墩对弯道内水面结构改善效果不如导流墩和糙条联合布置形式; 5组试验方案最大水面差及最大水深在1/5～2/5弯道横断面和4/5弯道横断面相邻上下游位置发生频率较大,且导流墩糙条联合方案的水流动力轴线更趋向弯道中轴线;相比同类消能工,导流墩糙条联合形式布置在弯道内更加节约工程造价,且施工较方便,可为实际工程设计提供理论参考依据。     

黄河什四份子弯道冰下环流特性研究

为分析弯道冰下水流结构与环流分布特征,利用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)对什四份子弯道的冰下流场进行了测量,通过测量弯道的冰厚、水深、流速,分析了弯道断面冰情与冰下环流分布情况。结果表明：弯道冰下水流并不完全呈现双螺旋结构,冰封期环流集中在弯顶凹岸侧和弯顶后凸岸侧,易产生在相邻冰塞之间或是冰塞与河岸之间;环流区域环流旋度沿水深线性增大,非环流区域环流旋度则线性减小,同一位置的不同流层环流旋度大小分布基本一致,弯道后半段大于前半段,弯顶前凹岸侧大于凸岸侧,最大环流旋度位于弯顶凹岸侧,约为0.91。     

河湾水流动力轴线变化与切滩撇弯关系研究

在分析汉江中下游以及荆江河湾实测资料的基础上,阐述了河湾水流动力轴线弯曲半径变化与切滩撇弯之间的关系,大量相关实测资料说明当河湾的来水条件和河湾形态发生变化时,会造成河势与水流动力轴线走向发生变化,从而引起切滩撇弯的发生.用多元线性回归的方法拟合出河湾水流动力轴线弯曲半径的数学表达式,并提出了用水流动力轴线弯曲半径与河湾弯曲半径的相对值来判断切滩撇弯发生机率的方法.研究成果对于治河防洪工程的规划设计有一定参考价值.     

常曲率U型弯道水流紊动特性试验研究

采用三维声学多普勒流速仪,对水流三维流速进行了采集,对弯道水流的脉动进行了统计分析,研究了典型断面的紊动强度、紊动切应力、紊动能的分布。试验结果能够很好的揭示弯道水流的三维特性及分布规律。研究成果为进一步研究水流的紊动结构及泥沙的运动机理提供了参考资料。     

小宽深比U型弯道环流试验研究

采用多普勒超声测速仪(ADV),对小宽深比的U型弯道沿程断面上各不同垂线位置上的点进行了三维流速测量,并基于所测数据分析了主流线位置、横向流速沿垂线分布、环流结构以及环流强度等水力特性。研究结果表明:在60°断面后,水流的表层与底层主流线开始分离,形成复杂螺旋结构。水流进入弯道后,沿程各断面均形成一逆时针主环流,并且从75°断面开始,凹岸表层又出现与主环流方向相反的次生环流;环流强度最大值位置出现在弯道弯曲度1/3处附近。研究结果为进一步深入研究弯道水流紊动特性和泥沙运动提供了有效参考。     

考虑弯道环流影响的平面二维水流泥沙数学模型

弯道环流是影响断面流速和含沙量分布的重要因素。本文提出了通过求解立面二维弯道环流运动的方法,在平面二维水流泥沙数学模型中考虑弯道环流的作用。该方法适用范围广,增加计算工作量不太大。