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闸前漂浮物对过闸水流结构影响的试验分析与数值模拟

王加俊  
【摘要】:我国南方的许多水闸在运行过程中长期受到漂浮物的侵扰,紧密的覆盖层与河道边界共同组成相对封闭的水流边界,造成过流断面的湿周增加,使得有效过水段面减小,过流边界的改变势必会给闸前水流结构和过流能力带来影响,尤其漂浮聚积层对过闸水流的阻力作用,严重威胁到水闸的行洪度汛。本文将在国内外对于有植被河道水流问题研究的基础上,结合水力学基本理论及水闸出流的理论,通过物理模型试验和数值模拟来定量分析闸前有漂浮覆盖层时的闸前断面流速和沿程水位的变化情况,并以此为基础总结各工况下水闸过流能力的变化规律。本文主要得出以下结论:物理模型试验中,闸孔出流相同工况下,布置了覆盖层的闸前水位会比之前有明显的降低,层下的流速不再呈半对数“J”分布,而是近似呈鱼肚形“)”分布,堰流时覆盖层的上游水位较之前有了明显的上涨,覆盖长度越长对水流的沿程阻力则越大,上游水雍也越明显。布置了覆盖层的闸孔出流综合流量系数M1较未布置时有所增加,流量修正系数Ks1;布置了覆盖层的堰流综合流量系M2较未布置时有所减小,流量修正系数Ks’1。根据实测的堰流出流数据,拟合出单一厚度覆盖层的流量修正系数Ks’相对于上下游水位hs/H1和覆盖层长度L1之间的关系。利用数值计算软件详尽而直观地分析了覆盖层对闸前三维流场的影响情况,发现无论是闸孔出流还堰流情况,上游水流流经覆盖层段时都会绕过表层的覆盖层,被迫下潜到覆盖层的下方,覆盖层区域几乎没有流体通过。闸孔出流时覆盖层会提高水闸的过流能力;堰流时覆盖层则会消弱水流的过堰能力,并且这种消弱作用随着覆盖层的增长而增加。将数值计算得出的流速分布和过流能力与试验实测值进行了比较,两者吻合较好。


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