粗糙床面明渠水流数值模拟及水力特性分析

天然河道和人工河道一般为粗糙床面,由于大尺度粗糙床面对水流的阻挡作用,使得水流区与粗糙区的流场特性不相同。为了探究粗糙床面对水流结构的影响,开展了4种工况下,不同粗糙高度的水槽模型流场试验和对应的数值模拟分析计算,获得了丰富的水力特性空间数据。研究结果表明,采用RNGk-ε模型和流体体积模型(VOF)能够准确模拟计算具有粗糙床面的水流。受粗糙床面阻水作用的影响,在粗糙床面上游,水位有一定程度的壅高,当水流过粗糙床面后,水位有一定程度的跌落。水流过粗糙床面以后,水面逐渐趋于一致。在粗糙段,水流结构基本相似。在粗糙影响段,相对粗糙度为0.2,水流的紊动强度和紊动动能达到最大值。随着相对水深的增大,紊动强度和紊动动能均呈现出“先增大后减小”的变化趋势,在水面附近趋于一致。