透水丁坝纵向流速分布试验研究

通过水槽概化模型试验研究不同淹没程度、不同空隙率和不同空隙尺寸条件下,对丁坝上游回流区、下游回流区和主流区纵向流速的影响规律。结果表明:淹没程度、空隙率、空隙尺寸和纵向流速具有较强的相关性,回流区纵向流速随淹没程度的增大而增大,主流区随淹没程度增大而减小;空隙率和空隙尺寸具有相似的变化规律。可为长江上游散抛石丁坝的维修加固提供参考。     

护岸式铅丝笼丁坝挑角的选择

通过室内模型试验,研究了不同挑角时丁坝附近的水流结构、坝后回流区及自由水面的变化情况,以及不同挑角丁坝附近局部冲淤变化的规律。结果表明:随着丁坝挑角的增大,坝上游流速减小区范围扩大,坝头流速变幅增大,坝后回流区长度和宽度均有所增大,坝头水面比降也增大;结合实际工程经验,建议护岸式铅丝笼丁坝的挑角宜设计为下挑45°。     

潮汐双向流条件下丁坝水流特性研究

以长江口南支河段为原型,概化并建立水槽数学模型,研究径潮双向流条件下丁坝附近的水流结构。研究表明:丁坝一侧河岸,丁坝下游潮差远大于上游,在丁坝上游潮差小于对岸侧,下游潮差大于对岸侧;落潮时,丁坝回流区与壅水区长度大于涨潮,转流时刻,丁坝坝头附近流速相对较大;河床底部剪切应力变化在涨落急时刻最大,且落潮大于涨潮,转流时刻坝头及坝身迎水侧剪切应力增加明显。     

水力插板透水丁坝水流结构随透水率的变化规律研究

为了研究水力插板透水丁坝水流结构随透水率变化的规律,采用ANSYS FLUENT 15. 0,基于RNG k-ε湍流模型,对不同透水率下透水丁坝周围的流场进行三维数值模拟。结果表明,透水丁坝坝体前后压差随透水率的增大逐渐减小,上游坝根处压强最大,坝头下游侧附近压强最小,坝根和坝头部位易发生水毁。回流强度随着透水率的增大逐渐减弱。当透水率达到40%时,回流基本消失,坝后为一个缓流区。不同透水率下水槽同一横断面处流速分布规律相似。随着离丁坝侧河岸距离的增加可划分为流速缓慢增大区、流速迅速增大区和流速稳定区。随着透水率的增大,主流区流速逐渐减小,坝后作用区流速逐渐增大。研究成果能够为透水率这一重要工程设计参数的合理选取提供参考,实际应用中推荐透水率为30%。     

水力坡度对淹没单丁坝近区水流结构的影响

采用超声波水位和PIV流速测量技术,在U形水槽中试验研究了不同水力坡度下淹没单丁坝对水流的影响。同一水力坡度,丁坝上游横比降沿程逐渐增大,丁坝下游横比降沿程逐渐减小。不同水力坡度,随着水力坡度的增大:① 丁坝附近的水位、横比降、淹没程度和丁坝迎水面与背水面的水位差逐渐减小;② 丁坝上游最高水位位置向下移动,丁坝下游水位恢复点位置向上移动;③ 断面平均流速及最大流速逐渐增大,但最大流速出现的位置基本不变;④ 漩涡流速分布较相似,但漩涡强度增加,坝后漩涡中心逐渐向下游对岸移动。当水槽坡度为-1‰~1‰时,淹没丁坝对丁坝上方5 cm处的剖面水流影响较小;当水槽坡度为2‰时,淹没丁坝对丁坝上方5 cm处的剖面水流影响较大;当水槽坡度为1‰~2‰时,淹没丁坝对水流结构的影响可能存在1个临界变化点。研究结果有助于对河床演变及海岸工程等复杂水环境问题的深入探索。     

非淹没复式断面丁坝区的流速分布规律

复式断面丁坝是常见的航道整治建筑物。通过室内水槽试验开展非淹没复式断面丁坝流速分布规律研究。结果表明①表层合流速高速区主要出现在一级丁坝坝头下游外侧,二级丁坝长度b₂对高速区流速大小及平面分布形态具有明显影响,而弗劳德数Fr只影响高速区流速大小,表层横向流速平面分布接近扇形,最大横流可达试验流速的0.45倍;②横断面上纵向流速高速区位于一级丁坝坝头附近,强横流区位于二级丁坝前缘,均呈带状分布,b₂越大,带宽越小,高速区分布更为集中;③纵剖面上纵向流速最大值出现在丁坝下游靠近水面附近,其沿程位置随b₂的增大而上移,横向流速呈先增大后减小的变化,最大值出现在丁坝附近靠近槽底的部位,强横流区呈枫叶型分布。研究结果可为航道整治工程设计和丁坝水毁保护等提供参考。     

阶梯形丁坝下游回流规律分析

阶梯形丁坝在航道整治中应用广泛,其回流规律与船舶通航、坝田淤积及堤岸稳定等系列问题密切相关,但目前研究很少。应用三维水流数学模型研究双级阶梯形丁坝几何尺度及来流条件对回流规律的影响,结果表明:①回流长度随一级丁坝相对长度ε₁及高度ψ₁、二级丁坝相对长度ε₂均呈递增变化趋势,随弗劳德数Fr呈先增大后减小的变化趋势;②回流宽度随ε₁,ε₂和ψ₁变化相对明显,而随Fr变化总体较小;③回流正、负流区宽度比沿程变化曲线总体为上凸状,负流区宽度相对较大,在靠近丁坝部位可达正流区宽度的2.5倍;④回流曲线形态与ε₁,ε₂和ψ₁有关,ε₁和ψ₁主要影响回流曲线长度,ε₂影响回流曲线的整体形态;⑤回流流量一般小于来流量的10%,沿程分布曲线不对称,增流区回流流量变化相对缓慢,而减流区变化相对剧烈。     

弯道鱼类产卵场水力生境指标的空间分布

弯道鱼类产卵场是鱼类栖息地中重要且敏感的场所,基于三维水流数值模拟,以长江流域中的重要经济鱼类四大家鱼为代表,开展弯道鱼类产卵场水力生境指标的空间分布研究。结果表明：(1)弯道断面水面至水底方向,流速减小,最小流速接近0.19 m/s。弯道凹岸侧的流速适宜度S_u随水深的增加先增大后减小,凸岸侧下游出口段S_u较为稳定。(2)横向流速沿横向梯度G_yy与纵向流速沿垂向梯度G_xz在凸岸均沿程先增大后减小再增大,在河心先增大后减小。(3)凸岸的弯道前半段断面上,平均涡量Ω的增加速度随流量增加而加快,后半段断面Ω的增加速度趋于平缓,河心与凹岸Ω的增加速度均随流量的增加而加快。(4)弯道中的大部分区域较适宜鱼类产卵,流量较小时,中水层更适宜鱼类产卵,鱼类在流量较大的情况下偏好选择高水层产卵。     

淹没双丁坝间水流结构特性PIV试验

为探讨淹没双丁坝对坝间水流的影响,采用粒子图像测速(PIV)系统对坝间水平面流场进行了测量,并对坝间水流结构进行了分析。结果表明:丁坝间距与丁坝长度的比值d/B(B为定值)对坝间漩涡中心位置、坝间回流区及涡量分布有着显著影响;d/B越大,坝间"漩涡"中心越接近坝头线;坝间回流区宽度随d/B增大而增大,零速度线基本呈线性关系且其斜率随d/B增大而减小,同时回流区流速也随之发生很大变化;上游丁坝头附近出现最大负涡量而在下游丁坝头附近出现最大正涡量。     

淹没丁坝端坡对附近水流结构的调整作用

工程应用中的丁坝往往具有一定的端坡,而且经常处于淹没状态。为了研究端坡对淹没状态下丁坝附近水流结构的调整作用,采用水槽试验和三维浅水模型相结合的方法,分析淹没时丁坝阻水面积相等条件下坝头直立和具有一定端坡时丁坝附近的表层平面流场、底层平面流速分布和底层切应力分布情况。结果表明:淹没程度?H/H?0.17时,丁坝下游仍出现回流区,端坡系数m等于1时相对回流长度和坝头附近流向偏角最大;存在一定端坡时,坝头附近临近底床平面强流速范围和底床切应力范围显著减小或消失,m等于7时能够将丁坝附近流场调整得较为均匀。     

插板透水丁坝透水孔优化方案数值模拟

针对插板透水丁坝透水孔孔数和布置方式对丁坝作用区水流特性和冲淤变化影响的问题,采用CCHE2D水沙数学模型对塔里木河干流其满河段实体模型水槽插板透水丁坝区进行二维水流数值模拟,分析不同透水孔数和不同布置方式对河槽断面流速分布、水位及河床切应力的影响规律,寻求插板透水丁坝透水孔优化方案。结果表明:在来流量、透空率等因素不变条件下,插板透水丁坝透水孔数越多,流速均匀性越好,丁坝下游河床切应力呈减小趋势。当透水孔数达到4孔时,丁坝上游、下游水位、流速和河床切应力变化趋势均趋于稳定,为最佳的透水孔优化方案。研究成果为进一步研究插板透水丁坝区水流特性与缓流促淤效果奠定理论基础。     

大尺度散粒体周围水流结构试验研究

大尺度散粒体是山区河流常见的床面粗糙元素。为探讨大尺度散粒体形态对周围水流结构的影响规律,采用高度均为Δ的正方体、球体和四面体3种散粒体进行单体水槽试验,基于声学多普勒流速仪获得的瞬时流速资料,开展大尺度散粒体周围水流结构研究。结果表明:(1)水深h较小,h/Δ=0.9,散粒体处于非淹没状态时,其周围水流呈U形向下游扩散,正方体的横流区范围最大,球体次之,四面体最小;水深增大,h/Δ=1.8,散粒体处于淹没状态时,其周围横流将明显减弱,水流越过散粒体后在下游形成波状起伏。(2)表层合流速U_m/U随弗劳德数Fr和散粒体阻水面积的增大而增大,Fr较大时,高速区主要出现在散粒体平面形心附近,最大值可达试验流速的1.3倍,正方体、球体和四面体对应的表层U_m/U平面分布分别呈等腰梯形、钟形和菱形;强横流区位于散粒体形心两侧1.5Δ范围内,最大横流可达试验流速的19%。(3)Fr较小时,散粒体对纵向流速u/U垂线分布的影响较小,上游断面u/U与指数分布规律吻合,下游Δ处u/U垂线分布变化明显,此后u/U垂线分布逐渐恢复为指数分布;Fr增大后,散粒体对u/U垂线分布影响的差异逐渐增强,u/U垂线分布不再服从指数分布。     

台阶式丁坝水动力特性及防冲效应

丁坝是航道整治工程中广泛采用的一种整治建筑物,然而丁坝坝头复杂的水流结构,常导致坝头局部冲刷,易诱发丁坝水毁。为减弱坝头的水流动力,提出了设置台阶式坝头的新型丁坝结构形式,并通过水槽试验研究了台阶式丁坝的水动力特性及冲淤特征。研究表明,台阶式坝头能逐级分散坝头的集中绕流,消弱坝头脱离涡的涡量强度,而台阶的台面也能逐级阻挡坝头下潜流,消弱其对床面的直接冲击;同时,台阶台面具有挑流作用,使得最大流速或最大紊动强度区相应外移,也有利于坝头的稳定。试验还研究了台阶级数、宽度以及坝身下游边坡是否设置台阶等对控制局部冲刷坑的影响。试验发现,台阶级数相对越多,宽度越宽,其减小局部冲刷的效果越好;坝身下游边坡设置台阶增大了台阶台面阻挡下潜流及挑流的面积,也有利于控制局部冲刷的发展。     

透水丁坝收缩断面与冲深计算

透水丁坝是一种新型结构的丁坝,具有结构稳定,运行安全可靠,不用抢险防守等优点,目前在国内外实际工程中均有推广应用。针对透水丁坝设计中的挑角、透水率等主要影响因子进行了动床水槽试验,结果表明：① 透水丁坝坝后会形成流速减小区,对水流的阻碍作用较实体丁坝弱;② 坝后收缩断面至坝头的距离随挑角的增加而增大,随着透水率的增加而减小;③ 采用回归分析法得出了坝头最大冲刷深度的计算公式,具有一定的适用性。     

单排井柱桩透水丁坝的阻水缓流作用分析

井柱桩透水丁坝为挡水和透水建筑物,推求了单排井柱桩透水丁坝上游及下游流速公式,通过计算塔里木河其满水库三号口断面单排井柱桩透水丁坝上、下游平均流速,并进行比较表明,水流通过井柱桩透水丁坝后下游平均流速较上游明显降低,从而证明了井柱桩透水丁坝具有阻水缓流作用,但仍大于不冲流速。     

堆积体作用下陡坡河道流速沿程及横向分布规律

滑坡、泥石流等灾害过程,常在河流岸边形成大型堆积体,缩窄了主河道过流宽度,对主河道水流运动产生影响.通过水槽试验,研究了堆积体作用下陡坡急流河道流速沿程及横向分布规律.试验结果表明:受堆积体影响,水流流态一般可分为上游低速区、主流区、下游回流区及堆积体下游段折冲水流与隐蔽区缓流相遇而形成的斜向水跃.堆积体的壅水作用对主流区流速沿程分布影响较大,随堆积体尺度的增加,对主流流速影响增大,影响范围加大.堆积体上游段,主流流速受堆积体影响减小;急流条件下,堆积体段的过流断面束窄,过流能力降低,主流流速较天然状态有所降低,出现急、缓流过渡,堆积体末端逐步恢复至天然状态.堆积体下游临近断面流速大小与天然状态基本一致,沿横断面的流速比天然状态略有增大,对岸流速则略有降低,随堆积体规模的增加,流速横向变化幅度增大.     

泵闸工程闸下双底坎整流的水力特性

针对泵闸工程中出闸水流出现的不良流态,提出在其下游河道设置双底坎的整流措施,利用VOF法的RNG k-ε湍流模型,探索其整流效果和水力特性,并对计算结果进行了物理模型验证。结果表明:底坎通过迫使出闸水流沿坎横向运动和形成漩涡,对偏流、回流和斜向水跃具有显著改善作用;双底坎的设置能有效减小坎后水面波动,进一步降低回流区范围,提高流速均匀程度;流速不均匀系数随下游出口Fr增大而减小,随二坎的相对坎高h_2/b、相对间距d_2/b的增大先减小后增大;数学和物理模拟的水面线和流速分布吻合度较高,湍流模型计算结果可靠。     

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。     

丁坝回流长度的变化

丁坝的回流长度是反映丁坝作用强度的重要指标．根据水槽试验数据和数学模型计算结果，分析了丁坝回流长度随丁坝附近河床发展过程的变化以及丁坝的相对回流长度与相对河宽的关系，随着丁坝局部冲刷坑的形成，丁坝回流长度明显减小，丁坝的相对回流长度随相对河宽的增大而减小。     

丁坝冲刷坑及下游回流区流场和紊动特性试验研究

通过超声多普勒测速仪NDV对已形成冲刷坑的情况下的丁坝流场和紊动动能进行细致的三维测量,结果表明,冲刷坑的存在使得回流范围比平底情况有所减小,较强的紊动动能主要分布在坝头和冲刷坑内,其中以坝头处水流分离区紊动动能最为强烈,主回流区交界处次之.冲刷坑的存在也使得丁坝后回流区的水流和紊动动能分布有较大调整.