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丁坝附近紊流的三维数值模拟及局部冲刷

叶桢  
【摘要】: 丁坝对河道治理、岸坡保护等有重要作用。丁坝附近水流和局部冲刷呈明显的三维特性,采用三维紊流数学模型模拟丁坝近区流场的变化,更符合实际工程情况。然而迄今对丁坝近区三维流场的精细数值计算尚不多见,对丁坝附近的局部冲刷也主要限于最大冲刷深度。因此,研究丁坝附近的三维紊流和局部冲刷深度及其分布具有重要的理论和工程意义。 鉴于以往只能在粗网格下模拟实际尺寸河道丁坝而在精细网格下模拟小尺度河道丁坝的近区紊流,本文将水流连续方程、动量方程和标准κ-ε方程联立求解,采用有限体积法离散方程,SIMPLE算法求解离散后的代数方程组,在精细网格下成功地数值模拟了具有实际尺寸的河道中丁坝近场的三维紊流。 分别采用单流体和双流体标准κ-ε紊流模型数值模拟了不同工况下丁坝附近的紊流场,发现丁坝坝头存在两个小角涡,坝后除大尺度漩涡(回流)外,在高流速下还存在若干次生涡。而以前的数值模拟计算中,只能捕捉到坝后的大漩涡及坝头上半部的小角涡,而无法捕捉到坝头下半部的小角涡。本文数值计算成功地捕捉到丁坝坝头下半部的小角涡及坝后的次生涡。 数值模拟还发现,坝头前半部小角涡处存在下潜流和后半部小角涡处存在上升流,这为合理地解释丁坝附近局部冲刷的机理提供了理论依据。认为丁坝坝头除流线收缩流速增大引起冲刷外,下潜流和上升流是造成坝头冲刷坑的主要原因之一。 根据三维紊流场数据计算丁坝附近冲刷坑的大小、深度和形状,并画出冲刷坑分布图。结果表明,在上边界流速2m╱s条件下,坝头最大冲刷坑深度约15m。


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