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丁坝对弯道水流特性影响的水槽试验和数值模拟研究

王丹  
【摘要】:本文采用物理模型试验与数值模拟计算相结合的方法,研究了丁坝附近水流特性及其对弯道水流的影响。在物理模型试验部分,通过自动水位测量系统和流速测量系统对丁坝附近及弯道的水位、流速进行了测量,并利用测量结果对沿程水位变化、流速分布、回流区长度及紊动能变化等规律进行了研究;在数值模拟计算部分,通过Mike21软件建立了与物理模型相同尺寸的二维水流数值模型,用实验结果对模型进行了验证,并利用此模型对丁坝附近的水位变化、流速分布及回流区长度变化等规律作了进一步的分析。物理模型试验结果表明:(1)各种工况下的丁坝侧沿程水位均高于丁坝对岸侧沿程水位,且水流经过弯道后,两侧水位才开始恢复至正常水位。(2)丁坝与弯道进口距离一定,流量不同时:(1)流量越大,同侧沿程最高水位越大,沿程最大横比降越大;丁坝距弯道45cm时,纵比降随进口流量的增大而减小,丁坝距弯道55cm时,纵比降随进口流量的增大而增大。(2)丁坝与弯道距离较近时,相对回流区长度随流量的增加呈先减小后增大趋势;丁坝与弯道距离较远时,相对回流区长度随流量的增加呈先增大后减小趋势。(3)丁坝坝头、下游及水槽中间区域的紊动能最大值分布区域均随着流量的增大而增大。(3)流量一定,丁坝与弯道进口距离不同时:(1)丁坝距弯道越近,同侧沿程最高水位越大,沿程最大横比降越小;丁坝距弯道45cm时,丁坝侧最大纵比降低于丁坝对岸侧最大纵比降,丁坝距弯道55cm时,丁坝侧最大纵比降高于丁坝对岸侧最大纵比降。(2)随着丁坝与弯道进口距离的变化,在直道中,距丁坝侧边壁较近的纵向流速变化规律均是先减小后增大,距丁坝侧边壁较远的纵向流速变化规律均是先增大后减小再趋于平缓。(3)当流量较小时,丁坝与弯道进口距离越近,相对回流区长度越长。(4)随着丁坝与弯道进口距离的增加,紊动能最大值的分布区域有所减小。数学模型计算结果表明:(1)当丁坝与弯道进口距离一定时,随着流量的增大:(1)丁坝近区水位沿程逐渐上升,坝前的壅水高度与坝后的跌水深度均有所增加,且跌水深度大于壅水高度;丁坝近区沿程各断面横比降呈递增趋势。(2)丁坝上游的低流速区范围逐渐减小,自坝头开始至弯道凸岸的高流速区范围逐渐扩大,而坝后高流速向低流速过渡的区域不断减小,当流量增至35m3/h时,坝后高、低流速的过渡区范围缩短至弯顶断面前。(3)坝后的相对回流长度随着进口流量的增大而增大。(2)当进口流量一定时,随着丁坝与弯道进口距离的增加:(1)在丁坝对岸侧,断面1~5范围内水位逐渐降低,在坝后断面5~7内水位有所上升;在丁坝侧,坝前壅水高度和坝后跌水深度逐渐增加;横比降在坝前局部壅水范围内逐渐减小,在坝后到跌水水位最低处的范围内逐渐增大。(2)自坝头开始至凸岸形成的高流速区和自高流速区向凹岸低流速区过渡的区域范围逐渐扩大,坝后回流区范围有所减小。(3)坝后的相对回流长度随丁坝与弯道距离的增加而减小。


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