山区宽窄相间河道平面二维水流数值模拟

针对山区河道受地质条件及河床演化的影响,其平面形态常呈现宽窄相间的渐变形态特征,采用贴体坐标法剖分正交贴体曲线网格求解域,用有限体积法离散控制方程,以SIMPLER计算程式求解耦合方程,建立山区宽窄相间河道平面二维水流数学模型。将模型计算值与宽窄相间水槽水流试验实测值及水动力学SMS软件计算结果进行比较,结果表明:该模型能够较好地模拟宽窄相间河道平面二维水流运动特性,宽窄相间河道河宽渐变将引起水深和流速的变化,在河道最窄处水深降到最低,流速最大;在河道最宽处水深达到峰值,流速最小。

宽窄相间河道水沙运动特性研究进展

受地质地貌、水沙条件和人为因素影响,天然河道平面形态上常呈现宽窄相间的特征。从河宽变化对河床演变、水流流速分布、紊动特性及阻力特性的影响等方面,详细介绍了国内外关于宽窄相间河道水沙运动特性的研究成果。在对当前已有成果认识的基础上,指出后续研究要以河宽变化引起的平面形态阻力变化为重点,同时要结合天然宽窄相间河道的水沙变化情况对当前已有成果进行检验。

宽窄相间河道水流紊动特性试验研究

为了探索宽窄相间河道的水流紊动特性,以西南地区宝兴河上游宽窄相间河段为研究对象,基于室内概化模型试验,采用多普勒声学流速仪(ADV)测量了室内模型典型断面上的三维瞬时流速,分析典型断面上的纵向时均流速、紊动强度、雷诺切应力和紊动能的分布规律。试验结果显示:宽窄相间水槽中,扩散段边壁的紊动强度大于中心区域的紊动强度,最大值位于0.2倍水深处;扩散段两侧坡脚处紊动能最大;侧壁区的平面和立面雷诺切应力最大值出现在扩散段内,中心区域最大雷诺切应力位于两槽间的中间断面处;扩散段内水流紊乱,两侧出现旋涡和涡脱,易造成侧壁侵蚀加强,引起河道拓宽。深入分析了宽窄相间河道水流的紊动特性,可为山区河流治理和自然灾害防治提供参考。

山区宽窄相间河道渐扩渐缩局部区域水流运动特性试验研究

河宽渐变是天然河道的普遍形态特征。基于室内概化试验,采用声学多普勒流速仪(ADV)测试分析了宽窄相间河道渐扩渐缩局部区域水流运动特性。试验表明:河宽变化影响着水流运动特征,随着河道渐扩与渐缩的变化,水位呈现逐渐增加与降低,渐扩区域时均流速、断面环流中上部流速逐渐减少,而渐缩区域呈现相反的趋势。渐扩与渐缩断面,断面环流呈现不同的演化趋势。此外,宽窄相间不同水深区域均出现水流分离区,渐缩区域受壅水影响,流速分布趋于均匀化。

山区宽窄相间河道不同流量下水流结构研究

为了研究山区河流宽窄相间河段不同流量下水流结构特性,以雅安宝兴河上游河段为研究对象,概化实际河道,并建立三维水流计算模型。结果表明:1小流量下,窄段上游无明显壅水现象,宽窄相间河道显现出与顺直河道相似的特性,随着流量的增加,窄段上游壅水剧烈,宽段到窄段沿程断面平均流速呈现"增加—相对稳定—骤减—相对稳定—增加"的分布规律;2受河宽、壅水和回流影响,不同流量工况下宽段横断面的水流特性分布较窄段更加复杂,且在宽段的壅水区与非壅水区流速分布规律差异亦较大;3不同流量状况下,宽段床面剪切力剧烈变化将造成卵石沿程运动的不连续性,宽段河床呈现周期性往复发展的复归性变形,从而维持了宽段河床结构的稳定,而在窄段,河道在较大的床面剪切力长期作用下,形成了与周围环境相适应的河床结构,以消耗窄段较大的水流能量,从而保护河床的稳定。

宽窄相间河道上游流速特性分析

山区河道受地质和河床演变的影响,平面形态呈宽窄相间的形态特征。采用水槽模型试验,建立不同比例的宽窄相间河道模型,对上游断面进行流速测量,对比均匀流分析其流速变化规律,并反算其摩阻流速。结果表明:宽窄相间河道上游较远处流速分布基本符合对数流速分布规律,接近收缩段处不符合对数流速分布规律;宽窄相间河道横向流速分布符合指数分布规律,其横向流速分布参数与摩阻流速呈规律性变化,与宽窄比及距收缩段的距离有关。研究成果可为宽窄相间河道工程整治提供理论参考。

山区宽窄相间河段输水能力变化规律

输水能力变化直接影响河段行洪安全,当输水能力不足时,洪水风险陡增。影响河道输水能力的因素众多,如:床沙粒径引起河床粗糙度变化,植被等障碍物产生拖曳阻力等,但目前对边界变化影响河段输水能力机理和规律研究较少。受到地形地貌影响,山区河段河宽变化较为常见,本文采用平面2维水流数值模拟试验,研究了窄段–宽段河宽比(窄宽比)和下游水位变化条件下山区宽窄相间河段水流运动变化规律。结果表明:宽窄相间河段整体表现为宽段壅水、窄段跌水;当缩窄段弗劳德数Fr>1,河段由急流转变为缓流,在窄段下游附近形成淹没式水跃。下游出口为低水位时,随窄宽比减小,跌水–壅水–水跃分区效应越显著,展宽段水头损失急剧增大,由此降低了宽窄相间河段的输水能力;随出口水位增加,跌水–壅水效应减弱、水跃消失,展宽段水头损失变小,河宽变化影响降低,显著提高宽窄相间河段输水效应。出口水位变化对展宽与缩窄水头损失比峰值随着河道窄宽比的降低而增大,最大值为6;窄宽比变化条件下,出口水位变化对展宽与缩窄水头损失比的影响较大,表现为先增加后减小,且水头损失比峰值相对应的水位随着窄宽比增大而降低。研究从机制上厘清了宽窄相间河段水位及流速沿程分布和水头损失特征,可为山区河流水沙灾害防治提供科学依据。