丁坝水力学特性研究

【摘要】： 内河航运是交通运输体系中一种重要的运输方式。我国内河航运潜力巨大，充分利用这一宝贵资源，振兴内河航运是我国实施西部大开发战略的迫切需要。 丁坝是航道整治中常见的工程措施之一，但若设计失当，可能带来许多严重后果，对丁坝所形成的许多水流条件变化开展深入研究是十分必要的。目前在水运科研和航道整治设计中，大多依赖物理模型实验。尽管物理模型实验给人较为直观的印象，但投资较大、周期较长，由于受模型比尺的限制，流速测量十分困难，尤其是水下流态难以得到准确描述。此外，目前航道整治设计中水面线的计算一般都采用传统水力学的断面平均水力要素计算方法，精度较粗，大大滞后于当今计算流体力学研究水平。因此，借助计算流体力学和计算机模拟技术的最新研究成果，推动航道水力学研究更上一个新台阶，具有重要的学术意义和广泛的工程应用价值。本论文工作是结合交通部“十·五”西部交通科技重大研究课题研究内容而开展的。 本论文研究工作包括丁坝水力学特性的实验研究和数学模拟两个方面。在实验中采用先进的激光多普勒流速仪测量流速。研究对象包括淹没和非淹没两种情况。实验研究包括单丁坝及双丁坝条件下丁坝影响区内流场及水面变化规律；数学模拟方面包括二维和三维自由水面追踪及流场数学模型开发、验证和应用。 通过上述研究，作者采用二维和三维数学模型对水槽试验和天然河道中丁坝附近流场和水面形态进行了精细地描述和模拟，计算结果和实测结果吻合良好。论文分析了丁坝长度与布置对水面线的影响，根据流场、紊动场模拟结果和实验结果研 ABSTRACT 究丁坝造成的水流局部能量损失，并对水面变化和丁坝奎水高度进行了分析。本文 的创新工作主要是:(l)首次将三维水气两相流紊流数学模型应用于丁坝水动力学特 性研究，使丁坝附近流场和紊动场的精细描述成为可能，为航道整治中水面线确定 提供了一个更为准确的方法;(2)基于水槽实验和三维水气两相流紊流数学模型数值 模拟结果，建立了新的丁坝前奎水高度计算公式;(3)基于上述奎水高度计算公式和 本文二维水面计算数学模型，首次提出了丁坝上下游二维水面分段计算方法。