非淹没丁坝附近三维水流运动特性的研究

非淹没丁坝是河道整治工程中一种常用的水工建筑物。为了分析非淹没丁坝布置效果，对丁坝附近三维水流运动试验研究和数值模拟。建立了三维水流大涡模拟数学模型，采用迭代法求解速度和压力，再由离散化的自由水面运动方程求解自由水面；根据试验观测的水面线和流速分布资料，对数学模型进行验证。在此基础上，数值比较了三种丁坝(上挑，正挑，下挑)附近水流运动特性，结果表明，非淹没丁坝对水流运动影响较大，但三种形式的丁坝对水流的影响差别不大，相对而言，下挑丁坝对坝头防护效果较好。     

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°。     

丁坝对弯道水流特性影响的试验研究

该文采用超声波水位和PIV流速测量技术,在U形水槽中保持进口流量和尾门水位不变,在弯道进口前布置丁坝,通过改变丁坝坝宽和距弯道进口断面的距离,研究了丁坝对弯道水流特性的影响。结果表明:丁坝改变弯道纵向水面线形态,减小弯道内的沿程横比降,削弱弯道内的横向环流,转变凹岸弯顶附近的高水位为低水位。当坝宽较小或丁坝距弯道较近时,坝后回流区较长,且回流区长度与弯道进口处凹岸向的半断面平均流速之间存在近似的线性关系。研究结果可为弯道护岸工程设计提供科学依据。     

明渠弯道交汇口水动力特性数值模拟

为研究不同宽深比和径宽比对明渠弯道交汇口水动力特性的影响规律,利用体积函数法(VOF)追踪自由表面,采用RNG k-ε模型封闭控制方程,建立明渠弯道交汇水流三维数值模型对3种宽深比和3种径宽比的5种组合工况进行了模拟,分析了交汇口附近的水面形态、流速分布、断面环流和分离区形态等特征。结果表明：随着宽深比的增大或径宽比的减小,交汇口附近水面跌落程度减弱;与径宽比相比,宽深比对弯道交汇口以及下游区域内流速分布的不均匀性影响较大,宽深比增大,纵向流速变幅增大,流速分布更加不均匀,水流偏转效应增强;宽深比或径宽比减小导致弯道处环流强度增大;宽深比或径宽比增大,弯道处回流结构增强,分离区尺寸增大,水平方向上形态更加狭长。     

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。     

适用于中小河流受损岸坡修复的楔形丁坝群水力特性初探

河道内流动控制结构物作为一种主动防护型的护岸型式,以其特有的生态效益,伴随着河流治理理念由渠化向河流再自然化的回归,日益成为新的研究热点。在归纳总结国内外常见河道内流动控制结构物分类和作用特性的基础上,选取逆水流方向布置的楔形丁坝为研究对象,采用三维数值模拟方法对布置楔形丁坝群前后193°强弯曲水槽内的三维水力特性进行对比分析,初步分析弯曲水槽内楔形丁坝群的作用机制和挑流效果。研究结果表明:楔形丁坝群主要通过调整弯道内的二次流结构,达到将高流速水流挑离凹岸、避免岸坡遭受冲蚀的目的;楔形丁坝群布置会造成弯道内水位雍高,高流速水流向凸岸一侧偏移,其雍水高度和偏移程度与楔形丁坝群的布置方式密切相关。研究成果对于河流生态修复领域生态水工结构物相关研究的开展与深化具有借鉴意义。     

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。     

丁坝对弯道水流水力特性影响的研究

针对丁坝对弯道水流水力特性影响的问题,建立了相应的概化模型,通过数值模拟的方法,利用RNG k-湍流模型封闭Reynods方程,VOF法追踪自由表面,通过有限体积法离散求解,模拟研究了不同弯道中心角情况下,丁坝对弯道水流横向水面超高和流速场的影响。结果表明:在丁坝影响下,弯道水流水面横比降计算公式需要进行修正,应当考虑丁坝对河道的束窄、丁坝尺寸和弯道角度等综合因素的影响。     

基于数值模拟的平原河流弯道生态治理研究

建立基于有限体积法的平面二维水动力模型对海河流域鲁北平原典型河流弯道进行数值模拟,模拟研究不同流量和不同河床形态条件下河流弯道水流流速,并根据流速与河床冲淤关系分析不同工况下河床、河道边坡的冲淤变化,选出适宜河流弯道生态治理的河床形态,即在原始自然河床基础上进行拓宽、保持自然状态的河床形态。该河床形态的弯道流速梯度小,可以减缓两岸流速分布的不均匀性,水流动力轴线趋于河道中心线;水流流速分布趋于平缓,水面横比降小,弯顶下游低流速区域小,可以减少泥沙淤积。结合土壤生物工程技术,根据弯道水流模拟分析结果,提出平原区典型河流弯道生态治理的布设方案:弯道处河床只添加生态丁坝,或在主河槽处添加高度为15 cm及以下的潜坝。治理方案模拟结果表明添加生态丁坝可以较好地改善弯道水流流场。     

U型弯道水槽内T型和L型组合丁坝群对水流特性影响试验研究

为研究不同组合丁坝群对河道水流水力特性的影响,试验在U型水槽弯道凹岸侧布置不同的丁坝群,利用粒子图像测速系统(particle image velocimetry system, PIV)和无线水位测量系统等仪器对水流流速和水位等物理量进行测量,分析不同工况下弯道内水流水力特性的变化。结果表明,L型丁坝是最有利的条件,可以显著降低凹岸侧的流速,增加凸岸侧的流速,且其水头损失相对较小,可以降低水流对凹岸侧的泥沙冲刷,防止凸岸侧的泥沙淤积,对工程实际具有重要指导意义。文章在前人研究基础之上,创新设计不同的丁坝组合进行对比试验,分析得出利于工程实际的结论。