透水丁坝对不同曲率弯道内三维水流结构影响数值模拟研究

透水丁坝相较于传统丁坝,具有更加卓越的稳定性,安全性,可靠性,因此在绿色航道推广中得到重视,研究的目的在于对比不同曲率河道内三维水流结构变化,进而为不同曲率河道治理提供依据。研究采用数值模拟与实测相结合的方式,对3种湍流模型进行比选和验证,Standard k-ε,RNG k-ε,Realizable k-ε三种湍流模型内岸模拟流速和实测流速相关性系数均低于外岸,RNG k-ε湍流模型实测流速和模拟流速相关性系数最高,最终采用RNG k-ε模型对90°和180°弯道模拟,并对三维流线,流速,床面剪切,水面线分析。结果显示丁坝下游回流区涡轴线受垂向和径向速度梯度影响出现不同程度倾斜,水流撞击2号丁坝在丁坝之间产生两个相反方向的涡,这将对透水丁坝群结构稳定形成威胁但同时也会防止大量泥沙在透水丁坝之间淤积,保证透水丁坝在使用过程中不至于丧失透水性。河道曲率增大导致强剪切层向内岸迁移,180°弯道内出现两个强剪切层,这将导致河床向阶梯型演化,对于曲率大而且狭窄的山区河道在布置透水丁坝后要对内岸侵蚀效果评估,防止强剪切层迁移对内岸构成威胁。水面线呈现内低外高的现象,且在x/L=0.48~0.5的范围里内外岸水面线差值最小,水面出现凹陷。

液压坝群对变曲率河道水力特性的影响

通过在变曲率水槽中加入液压坝群,研究了4种工况下水槽轴线上纵向流速沿垂线的分布、紊动能及水面变化特性。结果表明:①无液压坝时,变曲率河道中顺直段的垂线流速最大值出现在距水槽底部0.4倍水深处;在过渡段及弯顶附近近水面流速最大;加入液压坝群后,各液压坝上游断面沿水深方向的流速变化很小,最大值出现在距槽底0.4倍水深处,而各坝下游断面流速分布及大小差异较大。②对于4种不同工况,紊动能沿水深方向均减小。液压坝的存在减小了河道中水流的紊动能,无液压坝与液压坝全部竖起时各水深处紊动能均值沿水深方向的比值分别为1.80(距槽底0.8倍水深处)、3.02(距槽底0.4倍水深处)、5.92(距槽底0.2倍水深处),表明液压坝对近槽底处紊动能的影响更大;当液压坝的中间扇放倒后,河道紊动能沿程分布变化较大,且紊动能值也较其他工况大,呈波浪式分布。③竖起的液压坝越多,最末级液压坝上下游水位差越大,最大为0.245倍静水深。

变曲率河道冲淤平衡时间尺度的数值研究

河流冲淤平衡时间尺度是河流生态修复研究中需重点关注的问题之一,但在校核河流泥沙冲淤过程的数值模型时,一般仅从水动力要素和冲淤范围、空间分布角度来评价,缺少时间尺度方面的研究。变曲率河道水动力特性和床面形态复杂,为此基于Delft3D建立三维水沙数学模型,模拟了不同曲率河道内泥沙冲淤过程,将模拟结果与已有试验结果进行了比较,在此基础上分析了模型和试验中河道冲淤过程达到平衡所需时间尺度的关系。结果表明,不同曲率弯道情况下,数值模拟结果中弯道水流动力轴线变化趋势、冲淤位置及变化范围与试验实测数据基本吻合,说明模型可精确模拟变曲率河道泥沙冲淤后床面的形态变化;模拟达到床面冲淤平衡所需时间为试验的1.3~4.0倍,这是因为Delft3D软件无法设置泥沙粒径级配分布,采用了均匀沙,临界床面剪切应力与试验不同,且未考虑到河床底部变化引起的糙率实时动态响应和试验观测引起的误差。