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。

阶梯形丁坝区明槽紊流横向涡的统计特征

阶梯形丁坝是常见的航道整治建筑物。基于PIV(Particle Image Velocimetry)水槽试验,研究了阶梯形丁坝区明槽紊流横向涡密度、面积、形状参数、旋转强度的沿程及沿槽宽分布规律。结果表明:(1)涡密度沿水深方向的分布在坝顶及槽底附近均出现波动峰值,沿流向距丁坝越远,涡密度波动越小;(2)丁坝附近同一位置的顺向涡总面积大于逆向涡,垂线上涡面积峰值出现在丁坝顶部并随距水槽中轴距离的减小而减小;(3)丁坝附近横向涡多呈椭圆形,丁坝区槽底处的逆向涡和水面处的顺向涡均呈扁平状;(4)丁坝附近同一位置的逆向涡旋转强度远大于顺向涡,丁坝上游至丁坝段,横向涡旋转强度沿程呈骤减趋势,丁坝段至下游,横向涡旋转强度沿程逐渐趋稳。研究结果可为揭示阶梯形丁坝的局部冲刷机制提供参考。

阶梯形丁坝下游回流规律分析

阶梯形丁坝在航道整治中应用广泛,其回流规律与船舶通航、坝田淤积及堤岸稳定等系列问题密切相关,但目前研究很少。应用三维水流数学模型研究双级阶梯形丁坝几何尺度及来流条件对回流规律的影响,结果表明:(1)回流长度随一级丁坝相对长度ε_1及高度ψ_1、二级丁坝相对长度ε_2均呈递增变化趋势,随弗劳德数Fr呈先增大后减小的变化趋势;(2)回流宽度随ε_1,ε_2和ψ_1变化相对明显,而随Fr变化总体较小;(3)回流正、负流区宽度比沿程变化曲线总体为上凸状,负流区宽度相对较大,在靠近丁坝部位可达正流区宽度的2.5倍;(4)回流曲线形态与ε_1,ε_2和ψ_1有关,ε_1和ψ_1主要影响回流曲线长度,ε_2影响回流曲线的整体形态;(5)回流流量一般小于来流量的10%,沿程分布曲线不对称,增流区回流流量变化相对缓慢,而减流区变化相对剧烈。

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不同流量过程下,坝后主流区和回流区的流速均随上游来流量的变化而变化,波谷起冲时主流区随冲刷历时的增加逐渐分为2个区域,而波峰起冲时主流区在初期便被分为2个区域。②受主流区变化和冲坑后方淤积区的共同影响,波谷起冲时的冲坑下游边界向下游凸起后回缩,波峰起冲时的冲坑边界向坑内收缩后扩散到下游,坝头最大冲深较恒定流条件可增加25.5%~54.3%。③如采用一级丁坝长度L_(d1)表征冲坑尺度,6 h冲刷历时中,波谷起冲时冲坑长度、宽度最大值分别可达9.2L_(d1)和2L_(d1),波峰起冲时则分别可达11.3L_(d1)和2.1L_(d1)。

淹没阶梯形丁坝水流结构PIV试验研究

阶梯形丁坝在航道整治中应用广泛,但其水流结构研究仍不充分。基于PIV室内水槽试验,探讨阶梯形丁坝区无量纲纵向时均流速u^(+)、紊动强度T^(+)_(u)、雷诺应力R^(+)和紊动能E^(+)的分布规律。结果表明:丁坝水流在纵剖面上可划分为顺流区、回流区和过渡区,丁坝内侧至一级丁坝坝头各剖面u^(+)高速区位于坝顶上部,低速区和回流区位于坝顶下部;丁坝外侧各剖面u^(+)沿程变化表现为先增大后减小。受水流翻越坝顶影响,丁坝上游各垂线的T^(+)_(u)随y^(+)变化明显,而下游各垂线的T^(+)_(u)变化相对平缓。R^(+)高值区位于坝顶附近且呈带状,流量较小时,R^(+)沿y^(+)的垂线变化相对平缓,坝顶附近R^(+)分布曲线呈“S”形,流量增大后丁坝上游R^(+)变化加剧。E^(+)高值区由坝顶向水槽底部和水面扩散呈三角状,且E^(+)随流量的增加而增大。

阶梯形丁坝局部冲刷特性数值模拟

阶梯形丁坝局部冲刷特性研究对河道整治工程方案设计具有重要意义。应用平面二维水流泥沙数学模型,研究来流条件及丁坝尺度对阶梯形丁坝局部冲刷的影响。结果表明:在清水恒定流作用下,冲刷达到平衡所需历时主要受来流条件影响,而受丁坝几何尺度的影响相对较小;随着弗劳德数Fr的增大,冲刷坑面积A、最大冲深hs总体均呈线性增加,Fr≤0.565时平均冲深h随Fr增长较慢,Fr> 0.565时h随Fr增长相对较快;一级丁坝高度、二级丁坝长度对局部冲坑形态及冲深发展的影响具有一定的等效性;hs与h均随一级丁坝相对高度ψ的增加而增大,当ψ> 0.7时其增幅趋于平缓。

阶梯形丁坝区明槽紊流脉动流速的空间相关结构

阶梯形丁坝在航道整治中应用广泛,脉动流速的空间相关结构是紊流相干结构的重要组成,可有效反映阶梯形丁坝区的流场特性。基于阶梯形丁坝区明槽紊流PIV流场测试资料,分析阶梯形丁坝区脉动流速空间自相关结构与互相关结构的分布特性,研究脉动流速空间相关结构沿主流、水深及槽宽方向的变化规律。结果表明:纵向脉动流速自相关系数C_(uu)与垂向脉动流速自相关系数C_(vv)均为正值;自相关系数在0.3~0.9区间内的等值线,其分布范围随着水深增加而减小,随着与丁坝距离的增大而增大;近坝区纵、垂向脉动流速互相关系数C_(uv)与垂、纵向脉动流速互相关系数C_(vu)云图在丁坝下游约一级丁坝坝长范围内出现基本对称的正负分区现象;一级丁坝附近C_(uv)及C_(vu)云图中相关性较强的等值线分布范围在近坝区较大而水槽中心较小;水槽中心附近,脉动流速空间互相关系数绝对值较大的等值线基本分布在二级丁坝上方,C_(uv)为正,C_(vu)为负。