丁坝群附近流场及局部冲刷的三维数值模拟

为探索丁坝群附近水流流场,揭示其局部冲刷的形成机理,该文采用Flow-3d软件,选取RNG k-ε湍流模型和以希尔兹(Shields)数为基础的泥沙推移质输沙率模型对上挑丁坝群的周围流场分布和局部冲刷进行了三维数值模拟。研究发现,丁坝群间涡系结构复杂,第一座丁坝坝头处有一对反向的旋涡和下潜水流,切应力达到最大值,使得该位置有较大冲刷坑发生,解释了冲刷机理。冲刷坑的模拟深度和范围与实验结果吻合较好,表明该模型可以用于丁坝群及相关河道整治工程的流场和冲刷坑计算。     

天然河道丁坝群局部冲刷三维数值模拟

为研究天然河道中丁坝长度对河床的冲刷影响,基于天然河道形状和实际丁坝群布置,提出适用于天然河道形状的丁坝群局部冲刷计算流体力学(CFD)三维数值模拟方法,建立了滦河马良子段丁坝群三维模型。采用RNG k-ε模型模拟计算,用VOF方法进行自由表面的追踪,并对丁坝局部冲刷坑形态及冲刷深度进行了数值模拟。对比实测数据,数值模拟结果与实测结果非常吻合。针对丁坝群中局部冲刷最严重的丁坝,对其长度进行调整,调整后冲坑深度明显改善。     

水力插板透水式丁坝群减缓流速效果试验研究

水力插板透水丁坝是一种新型丁坝。以水力插板透水丁坝群、井柱桩透水丁坝群和实体丁坝群为研究对象进行动床模型试验。先测定各丁坝坝前和坝后各5 cm横断面上测点的流速,再用每个测点的流速算出平均流速,通过对比横断面的平均流速来判断各丁坝群减缓流速的差异性,并详细分析和解释其减缓流速差异性产生的机理。研究发现：水力插板透水丁坝群和井柱桩透水丁坝群流速的减少率和减少量同实体丁坝群相比,分别提高了34%,23%和107%,84%。流速减缓会影响丁坝的局部冲刷和坝后淤积,再对各丁坝群附近的地形进行测量,并用surfer8.0绘制了各丁坝群附近的地形图。结果发现：实体丁坝群的局部冲刷情况最为严重,坝后淤积范围最小;水力插板透水丁坝群的局部冲刷情况最不严重,坝后淤积范围最大;井柱桩透水丁坝群的局部冲刷情况和坝后淤积范围介于两者之间。     

丁坝绕流流场及局部冲刷三维数值模拟研究

精确模拟丁坝附近流场信息,预测冲刷形态对丁坝的设计和安全运行具有重要的意义。本文采用一种基于多相流模式的悬移质输沙与传统推移质输沙相结合的模型模拟丁坝局部流场与冲刷过程,而河床变形则通过填充层体积份数的变化来模拟,VOF法处理自由面。泥沙冲刷侵蚀模型主要分为三个模块:悬移质漂流模块、泥沙挟带模块以及推移质输运模块,通过模拟在水流作用下的泥沙运动来预测泥沙侵蚀、对流扩散以及沉积等过程,同时考虑床面坡度对泥沙输运以及临界希尔兹数的影响。模拟得到了丁坝附近局部流场、地形冲淤变化以及冲刷坑形态等,并把计算结果与试验资料进行了对比分析,二者吻合较好,证明该模型能够很好地反映丁坝附近流场信息和床面变形特征。     

丁坝局部冲刷深度的计算

局部冲刷深度是丁坝工程设计中的一个关键参数,本文在对丁坝局部冲刷的过程和影响因素分析的基础上,根据国内外公开发表的试验资料,采用量纲分析和多元线性回归的方法,建立了清水冲刷条件下丁坝的局部冲刷深度的计算公式,并分析了丁坝与水流夹角、丁坝边坡和非均匀沙对局部冲深的影响系数,得出的公式可供在确定丁坝基础埋深时参考。     

黄河宁夏青石河段丁坝间距研究

通过对丁坝防护弯道的效果分析,认为丁坝间距不仅会影响坝头的局部冲刷深度,而且会影响丁坝防护弯道的效果。据此,借助模型试验及理论研究成果,分析不同工程边界条件下施工期流量、整治流量及20 a一遇设防流量下的水流流态、局部冲刷和河势演变,并从丁坝间距与丁坝所在河段的位置有关的角度出发,分析了凹岸丁坝群的丁坝间距与丁坝坝长的关系。研究表明:1.1倍坝长丁坝间距和1.5倍坝长丁坝间距对水流流态、局部冲刷和河势演变的影响差别均较小,结合理论研究认为来流方向与坝迎水面的夹角为60°～75°的坝段,丁坝间距应优先采用1.1倍坝长;来流方向与坝迎水面的夹角为20°～30°的坝段,丁坝间距宜采用2.0～2.6倍坝长。     

漫水丁坝局部冲刷的研究

本文在试验观测的基础上,对缓流时漫水丁坝的水流结构及局部冲刷进行了分析研究。对局部冲刷的影响因素进行了分析。发现漫水丁坝局部冲刷深度主要与有效冲刷速度(U_0-U_s)/U_0及丁坝与水深的相对尺寸、丁坝挑角、泥沙的粒径与粒配等有关。并根据试验数据得出了既适用于漫水也适用于不漫水丁坝的局部冲刷深度计算公式。提出了值得进一步深入研究的有关问题。     

水力插板透水丁坝群累积效应减轻局部冲刷效果的试验研究

水力插板透水丁坝是一种新型丁坝。本文以水力插板透水丁坝群、井柱桩透水丁坝群和实体丁坝群为研究对象进行动床模型试验。用测针测量各丁坝群附近地形,并用Surfer8.0绘制各丁坝群附近的地形图。结果表明:水力插板透水丁坝群累积效应减少局部冲刷的性能最好,其次是井柱桩透水丁坝群,实体丁坝群性能最差。最后详细地分析了各丁坝群减少局部冲刷差异性产生的机理。     

丁坝局部冲刷研究现状与展望

分别从丁坝附近水流结构、回流区范围、坝头局部冲刷机理、坝头局部冲刷影响因素和坝头最大冲深计算公式5个方面回顾了丁坝冲刷研究成果,认为:①水流结构是开展后续研究的基础;②相对回流区长度与断面缩窄比是否存在相关关系、相对回流区长度野外观测值与概化公式为何差距甚远、对坝头局部冲刷有重要影响的各因素中哪一个或哪几个占主导等问题尚无定论;③对于坝头局部最大冲深影响因素的研究甚多,但有些因素的研究结果不一,还有一些对冲深有重要影响的因素研究很少;④丁坝坝头局部最大冲深的计算公式一直存在理论性不强的缺陷。     

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.     

丁坝冲刷及整流桩防护措施研究

通过丁坝局部模型试验，进一步研究了丁坝冲刷机理。在此基础上，针对丁坝防护问题，提出了在丁坝坝体布议整流桩这样一种新型的防护措施。相应的模型试验结果表明，整流桩可有效改善丁坝坝头局部水流结构，进而使丁坝坝头冲刷坑深度减小，最大冲刷部位发生偏离，有利于丁坝的稳定。     

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。     

非淹没式丁坝群局部冲刷规律试验研究

结合某河道整治工程的实施,通过比尺模型试验,对丁坝群设计参数变化时局部冲刷规律进行了分析研究。总结了不同丁坝间距、长度和坝轴线方位角对冲刷坑深度及冲淤位置的影响,并根据试验观测资料提出了丁坝群各坝头局部冲刷深度的分析计算方法,所得结果可供河道整治工程规划设计参考。     

非恒定流作用下的阶梯形丁坝局部冲刷特性

阶梯形丁坝是常见的航道整治建筑物,天然河道中的水流多为非恒定流,非恒定流作用下的阶梯形丁坝局部冲刷特性研究,对丁坝结构设计和水毁防护等具有重要意义.采用自回归马尔柯夫模型,将天然来流过程概化为波谷起冲和波峰起冲2种情况,基于平面二维水流泥沙数学模型,探讨非恒定流作用下的阶梯形丁坝局部冲刷特性.结果表明:① 不同流量过程...     

恒流条件下丁坝的水流特征和冲淤形态分析

为了防止丁坝在湍急水流的冲刷下受到侵蚀,避免丁坝出现水毁破坏,模拟丁坝水流冲刷试验,在恒流条件下,对丁坝的水流特征和冲淤形态进行研究。结果表明,恒流条件下,丁坝阻挡水流时水位上升,水流从坝头绕过后水位逐渐降低;随着水流持续运动,离坝轴线越远,水流流速减小,泥沙沉积越多;在恒流条件下,离坝头越近,水流流速越快,冲刷深度越大。研究成果可为河道治理提供参考。     

青草沙水库北堤丁坝群保滩工程冲刷特性试验研究

该文采用定床试验和动床试验相结合的研究方法研究青草沙水库北堤丁坝群的坝田区流态和坝头区冲刷特性,分析软体排对丁坝坝头及坝田区的防冲刷效果。结果表明,丁坝群护岸保滩作用效果良好;在丁坝坝头近区局部流速较大,极易造成坝头局部冲坑深度较大,不利于坝头稳定;在坝头区设置软体排可以保护丁坝坝头,使其有效避免冲刷破坏影响。     

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。     

河道阶梯形丁坝冲刷形态和冲坑特征的研究

为了减小洪水对河道阶梯形丁坝的影响,防止河道汛期积淤。本文采用数值模拟法对河道阶梯形丁坝的冲刷特性进行分析。结果表明：恒定水流作用下,阶梯形丁坝的水流冲刷深度、冲刷面积和冲刷量随时间增加均快速增大,后逐渐趋于平稳。随着丁坝相对高度的增加,最大深度和平均深度逐渐减小。以上研究可为河道治理工程提供参考。     

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。     

丁坝布置方位角对河道水流流态的影响分析

采用数值模拟的方法研究不同布置方位角下丁坝群的近体流场分布情况。结果表明绕丁坝的近场流动具有强三维非恒定特性。下挑丁坝对水流流态影响较小,正挑或上挑的丁坝有利于促使泥沙在坝裆之间快速落淤,同时有利于集中水流,壅高水位。该文对丁坝的正确布置形式以及坝址周围河底、堤防的维护具有指导意义。