不同绕流结构体对河道水流的影响

分别采用一维方形丁坝、二维梯形丁坝和三维堆积体概化模型,在同一水流条件下进行水槽试验,研究不同维度绕流结构体对河道水面线和三维时均流速的影响。试验结果表明:(1)在进占宽度比完全相同的情况下,梯形丁坝由于存在第一回流区,导致实际阻流面积最大,对上游阻流最强烈,方形丁坝次之,堆积体最小;(2)当阻流面积比(阻流流量比)相同时,方形丁坝在断面束窄河段的纵向流速加速能力比梯形丁坝强,水流横向偏转的幅度也更大,但梯形丁坝垂向流速比方形丁坝更大一些;(3)当沿水流方向长度相同时,堆积体由于最大截面面积较小,纵向、横向和垂向流速均小于丁坝。由此可见,常用于区分绕流结构体阻流特性的指标,如进占宽度比、阻流面积比和阻流流量比等,并不能全面表达结构体对流场的影响。     

Appropriate CFD Models for Simulating Flow around Spur Dike Group along Urban Riverways

The flow field around spur dike group is complex, noticeable, and widely encountered in the improving progress of urban riverways and coastlines. Detailed investigation on such flow phenomenon is necessary and of applied significance. In contrast to experimental study and field survey, the numerical simulation can provide much more details with relative low cost. Aiming to identify the appropriate Computational Fluid Dynamics (CFD) models for simulating flow around spur dike group, the flow fields around non-submerged and submerged spur dike groups, including eight spur dikes in staggered arrangement, were numerically investigated in this paper with selected CFD models and validated based on corresponding flume test, i.e., two sets of laboratory experiments and observed data collected. The numerical simulations were carried out using Finite Volume Method (FVM) and three turbulence models, i.e., standard k-ε model, Reynolds Stress Model (RSM) and Large Eddy Simulation (LES) model. In each model, the free surface boundary was implemented respectively via two approaches, i.e., rigid-lid assumption (RLA) and volume of fluid (VOF) method. The comparisons between the CFD outputs and the observed data from flume experiments show that all three turbulence models are capable to simulate the three-dimensional flow around spur dike group to certain degree. It is noticed that, with comprehensive understanding of simulation accuracy and computational time, aiming to rapidly capture the field characteristics of main flow for non-submerged spur dike group, the standard k-ε model under RLA method is recommended, while to achieve the fine simulation of spur dike field especially in backflow zone, LES model under VOF method is appropriate. For submerged spur dike group, comparing to simulation accuracy, simulation cost is not a major factor concerned and LES model based on VOF method is the most suitable one due to the overflow effect of spur dike crest and the backwater effect of spur dike body.     

APPLICATION OF LBM-SGS MODEL TO FLOWS IN A PUMPING-STATION FOREBAY

A 2-D Lattice Boltzmann Method (LBM) coupled with a Sub-Grid Stress (SGS) model is proposed and validated by flows around a non-submerged spur dike in a channel. And then the LBM-SGS model is further applied to flows in a pumping-station forebay. Shallow water equations are numerically solved by the LBM and the turbulence can be taken into account and modeled efficiently by the Large Eddy Simulation (LES) model. The bounce-back scheme of the non-equilibrium part of the distribution function is used at the inlet boundary, the normal gradient of the distribution function is set as zero at the outlet boundary and the bounce-back scheme is applied to the solid wall to ensure non-slip boundary conditions. Firstly, the model successfully predicts the flow characteristics around a spur dike, such as circulating flow, velocity and water depth distributions. The results are verified by the experimental data and compared to the results obtained by conventional Smagoringsky Model (SM) of LES. Finally, the LBM-SGS model is used to further predict the flow characteristics in a forebay, such as secondary flow and water level. The comparisons show that the model scheme has the capacity to simulate complex flows in shallow water with reasonable accuracy and reliability.     

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。     

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%。     

Experiments and numerical simulations on transport of dissolved pollutants around spur dike

The flow field around a spur dike has three-dimensional characteristics.In order to analyze the influence of the flow field on pollutant transport,based on a compressive volume of fluid(VOF)scheme,the three-dimensional transient compressive pollutant transport model(CPTM)and the cubic equation(CE)bounded differencing scheme were developed.For the calibration and validation of CPTM,laboratory experiments were carried out in a flume with a non-submerged spur dike.The spur dike was angled at 60°,90°,and 120° from the upstream direction.The simulation results agreed with the experimental results.The simulations and experiments showed that the distribution of pollutant concentration was determined by circumfluence and the main flow.Concentration decay in the circumfluence zone was slower than that in the main flow.Downstream of the spur dike,the concentration fluctuation became intensive with the increase of spur dike angle.     

深水航道整治中新型结构淹没丁坝水流力特性研究

为研究新型结构淹没丁坝的水流力特性,基于有限体积法与自由液面捕捉法,通过流体计算软件Fluent建立三维数学模型对不同流速、水深与坝长条件下新型结构齿形丁坝的水流力特性进行研究。同时,设计了比尺为1:50的物理模型对不同坝长条件下新型结构丁坝水流力进行补充验证,数值模拟结果与试验结果符合良好。研究不仅得到了丁坝流场流速与水深的分布规律,同时分析了不同流速、水深与坝长条件下新型结构齿形丁坝的水流力响应规律,进而通过量纲处理分析了相对坝长与淹没度对水流力系数的响应规律,通过独立化分析的方法分别探讨了相对坝长与淹没度对丁坝水流力系数的敏感性。研究成果为新型淹没丁坝在长江南京以下12.5 m深水航道整治工程的应用提供一定的技术支撑与科学指导。     

植物生态护岸技术的效果分析——以漳河下游陈村险工为例

根据植物护岸机理,以漳河下游河道陈村险工为具体研究对象,通过数学模型模拟,分析了植物根部的加筋作用和植物地面以上部分对水流拖曳力的分担作用,及其对减缓丁坝冲刷的贡献。研究发现:种植植物后水流对丁坝附近土壤的有效拖曳力虽然随流量的增大而增大,但增幅减缓,说明植物的阻滞作用也随流量的增大而增大;在研究的流量范围内,种植植物后丁坝的冲刷深度比种植植物前减少了40～126cm。     

黄河下游丁坝缩窄河道泥沙冲淤特性试验研究

通过动床模型试验研究了黄河下游裴峪至官庄峪丁坝缩窄河段,在河道不同位置布设丁坝,不同情况下丁坝相对长度(丁坝长度与原河道宽度之比值)对河道泥沙冲淤变化的影响。结果表明：水沙运动要素变化受丁坝布设位置和长度等影响较大,随着丁坝相对长度的增加,汛期主河槽冲刷量和滩地淤积量逐渐增大,主槽范围相应扩大,其高程普遍呈下降趋势,特别是缩窄断面导流堤顶端部位出现明显的局部冲刷坑,束水冲沙、增大输沙能力的效果明显。当丁坝相对长度大于0.50时,主流线偏移、断面流速分布和河床冲淤的变化速率明显增大,不利于河道稳定。     

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。     

水力插板透水丁坝在新疆多沙河流上优越性的初步研究

在前人对透水丁坝和水力插板研究的基础上,首次提出将透水丁坝与水力插板技术相结合,形成水力插板透水丁坝新型护岸结构。通过运用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件对水力插板透水丁坝与水力插板实体丁坝、井柱桩透水丁坝的水力特性进行数值模拟比较分析。结果表明:水力插板透水丁坝通过调水调沙的作用在自身防护和保护堤岸两方面均优于水力插板实体丁坝;水力插板透水丁坝比井柱状透水丁坝在缓流促淤、保岸护堤方面效果更好。     

不同透水率对水力插板透水丁坝防冲促淤效果的试验研究

水力插板透水丁坝新型护岸结构的提出提高了新疆粉细沙河床上治河工程的防洪护岸效益。本文为了探讨透水率对水力插板透水丁坝防冲促淤效果的影响,利用动床模型水槽试验研究了水力插板透水丁坝缓流效果、局部冲刷及坝后最大淤积高度随透水率的变化规律,为透水率这个重要工程设计参数的合理选取提供理论依据。试验结果表明:水力插板透水丁坝坝后流速的减缓效果明显,且透水率对坝后流速的影响较小;坝头最大冲刷深度随着透水率的增大而变小;坝后最大淤积高度随透水率的增加先增加后减小;当透水率为30%左右时,水力插板透水丁坝的防冲促淤效果达到最佳。     

郑州黄河长管袋结构实验坝应用效果分析

郑州市黄河长管袋结构实验坝近年来出险具有猛墩猛蛰的特点，往往土胎裸露，在大水或险恶水流条件下出险并迅速垮坝的威胁较大．其出险的原因在于长管袋排体在水流的长期作用下，突然发生滑动或断裂破坏、该坝型给巡坝查险、预防出险造成困难．随着长管袋的日益变形、破坏，其出险将会加剧．建议对该坝型进行加固处理，设置类似于险工工程的根石台，该坝型的继续实验应在重大改进后进行。     

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。     

弯道丁坝防冰结构布置形式试验研究

弯曲河流的凹岸易受到冰排的撞击而发生磨蚀、崩岸,该处的护岸工程也会在冰排撞击作用下发生破坏,丧失防护功能。研究冰排的运动规律,进而保护河岸意义重大。丁坝作为治河建筑物会明显改变水流条件,而冰排随水流而动,丁坝的存在必然会对冰排的运动产生影响。通过室内试验的方法研究了在河流凹岸布置丁坝后冰排的运动特性,比较了5种不同丁坝布置形式对冰排运动的影响。试验研究表明:从防冰效果看,双丁坝的布置方案要优于单丁坝布置方案;单丁坝布置方案中,弯道60°布置位置最佳;弯道首、尾部的双丁坝布置形式中,长丁坝的布置形式较短丁坝布置形式效果更好;在弯道后加置1~2个短丁坝可以使双丁坝布置形式的防护效果达到最佳。     

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。     

三维紊流模型在丁坝水流中的应用研究

 基于RNG紊流模型,采用VOF法、空度法和璧面函数法分别处理自由面、不规则边界和壁边界,对丁坝附近的水流进行了模拟和研究。采用先进的瞬时流场测量仪器——PIV来测量丁坝的局部平面和剖面流场,对建立的模型进行了验证。模型计算结果与水槽试验和他人试验资料吻合较好,表明模型能够模拟多种情况下的丁坝流动规律及自由面变化。     

长江上游透水丁坝水面线分布试验研究

丁坝是长江上游航道整治中最常用的整治建筑物,工程实践中多采用抛石透水丁坝,此类丁坝具有一定透水性, 在现有丁坝水沙特性研究中极少考虑透水性对此类丁坝的影响。不同的空隙率和空隙尺寸对改善透水丁坝附近水位场及流速场具有不同效果。通过水槽概化模型试验,研究了3种空隙尺寸和5种空隙率工况下透水丁坝周围水面线分布情况,对比分析了不同空隙率和不同空隙尺寸等因素对透水丁坝周围水面线的影响规律。结果表明:相比实体丁坝,在一定的空隙率和空隙尺寸条件下,透水丁坝对其上游的壅水效果更佳,同时还可增加其下游水深,降低纵横向水面比降,对改善丁坝右侧束窄段水流形态、减轻丁坝水毁、延长其使用年限以及改善生态环境等方面也具有更积极的作用。     

水力插板透水丁坝坝头冲刷坑深度模型试验

为探索水力插板透水丁坝减小坝头冲刷坑深度的最佳设计参数和布置方案,通过改变流量、丁坝挑角、丁坝透水率、丁坝长度进行单因素影响试验,得出坝头冲刷坑深度与各单因素的回归方程。从每组单因素试验结果中选择最佳试验水平,利用L9(34)正交试验设计表设计4因素3水平的正交试验。试验结果表明:4个单因素对水力插板透水丁坝坝头冲刷坑深度的影响从大到小依次为:丁坝透水率、流量、丁坝长度、丁坝挑角;在一定流量条件下,水力插板透水丁坝最佳布置方案的设计参数为丁坝透水率30%、丁坝长度30 cm、丁坝挑角60°。