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丁坝回流区水流特性的实验研究

黑鹏飞  
【摘要】: 丁坝是水利工程中主要的水工建筑之一,广泛的应用于航道整治、路基防护、护岸工程中;在天然河流及水库库区中,伸入河床的山体和桥墩等人工建筑也会形成类似于丁坝的水流现象。因此,回流区淤积和坝头冲刷一直是学术界和工程界关注的问题之一,研究丁坝周围的水流特性,对于丁坝的合理设计和改善丁坝附近流场结构具有重要意义。 本文采用3-D PDA对丁坝下游流场进行了精细的三维测量,系统分析了丁坝下游时均流场和紊动速度分布规律。在此基础上,对丁坝回流区水流挟沙力进行了探索性的分析。本文主要研究内容和成果如下: 基于流量守恒原理,首次沿横向将丁坝下游划分为三个区域,即主流区、回流正流区和回流负流区;根据正、负流区分界线上的横向流速,在纵向上将丁坝回流区分为回流增流区和回流减流区两个区域。 根据实测数据,明确给出正、负流区的宽度沿程变化规律。回流区和负流区的宽度经无量纲化后在回流增流区、减流区沿程均呈线性变化,但二者斜率不同,在增流区和减流区之间存在拐点。 各区垂向和横向紊动强度与无丁坝时相比都有所增加,但增加的幅度均小于1.2倍。主流区和正、负流区的最大纵向紊动强度分别为无丁坝时1.6、3.0、2.0倍。因此,对纵向紊动强度沿程变化进行了进一步研究,得出了各区纵向相对紊动强度沿程变化公式。 基于k方程,经一定假设得出了适用于各流区的水流挟沙力公式。该公式可同时反映纵向紊动强度和时均流速的变化对水流挟沙力的影响,并分析了这两个因素的消长对于丁坝下游回流区冲淤的影响。 本研究第一次以流量守恒原理对回流区进行了分区,明确给出了不同区域分界线分布规律,首次给出了不同区域紊动强度的沿程变化规律,并将其应用于水流挟沙力计算中,具有一定创新性。


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