长江中游界牌河段丁坝周围水流特性试验研究

为探求界牌河段丁坝周围水流特性,明晰丁坝周围水流特性与坝头损毁之间的关系,采用清水定床、正态模型试验方法研究长江界牌河段丁坝周围水流结构特点,详细分析流量条件对界牌7#丁坝周围断面测点的流速最大区域及紊动强度最大区域分布的影响,重点分析坝头周围测点三维流速数据。结果表明,从x、z向流速和紊动强度的角度考虑,坝体中部及下游侧是易损区域;随着坝头流速的增大,下潜水流、坝头涡旋系、单宽流量分别成为影响坝头损毁的主因。     

丁坝群对弯道水流影响

采用MIKE21模型对弯道有无丁坝群两种工况下的水流特性进行数值模拟试验,分析丁坝群建设前后弯道水流水面横比降、横向环流、流速重分布等特性,进一步证实弯道的护岸机理,为相关的工程实践提供理论依据。     

丁坝绕流问题的紊流数学模型

本文应用水深平均k-e紊流模型,采用SIMPLEC计算方法,成功地模拟了丁坝绕流问题,并与相应的试验资料作了比较,计算结果表明该方法适用于模拟有回流存在的复杂水流。同时还探讨了模型中主要参数对回流长度的影响,并对其灵敏度作了分析计算,对参数作了修正,使计算所得的回流长度与实测值更吻合。     

空隙率对丁坝周围水位影响数值模拟研究*

丁坝是航道整治常用的整治建筑物之一,实际工程中多采用散抛石丁坝,此类丁坝具有一定透水性,不同的空隙率对改善透水丁坝附近水位具有不同的效果。基于计算流体力学FLOW-3D 软件,研究空隙率对透水丁坝坝身段、坝头前端以及主流带区各个位置水位变化影响。结果表明：在丁坝坝身段、坝头前端以及主流带区水位与空隙率变化关系基本一致,丁坝上游段,当空隙率小于15.4%时,水位随空隙率增大先降低后升高,当空隙率大于15.4%时,水位减小至某一值后趋于稳定;坝体轴线处,水位随着空隙率增大呈现上下波动;各透水丁坝坝后水位均高于实体丁坝,但坝后水位与空隙率并非呈正相关变化。     

齿型构件混合堤正交丁坝水流力数值模拟

为研究长江南京以下12.5 m深水航道整治工程齿型构件混合堤正交丁坝水流力特性,采用RNG k-ε湍流模型,建立了三维水动力数学模型。通过实测流速、水位以及构件水流力数据进行模型验证,验证结果良好。利用该数学模型对齿型构件混合堤正交丁坝水流力随流速、水深与坝长的变化规律展开研究,对齿型构件混合堤正交丁坝水流力轴线分布规律进行探讨。     

丁坝周围水流紊动特性与地形冲刷的关系*

通过动床冲刷试验对不同形式丁坝的水流紊动特性进行对比分析,结合河床冲刷地形等值线图,找出水流紊动特性与河床冲刷之间的关系。在此基础上,深入分析不同形式丁坝对水流紊动特性的影响,优选出新型坝体结构形式。试验结果表明：丁坝周围地形的冲刷与水流紊动的强烈程度有关,冲刷坑的深度随水流紊动特性的变化有先增大后减小的趋势;沙垄主要由粗砂组成,且断面形状呈“流线型”,回流区出现细砂覆盖层;圆弧断面和勾头形式丁坝在减弱水流紊动方面具有一定的优势。     

非淹没丁坝三维绕流数值模拟

通过应用非线性三维紊流数值模型,并采用有限体积法对模型控制方程进行离散,对非淹没丁坝绕流进行数值模拟仿真分析,给出了三维流场、压力分布场、剪应力分布场等信息,计算结果均基本符合非淹没丁坝绕流的实际情况,结果表明该非线性模型是可取的,数值模拟结果具有一定的可信度.     

丁坝附近水流动能分布研究

通过水槽试验，结合理论分析，研究丁坝附近的水流紊动。绘出了脉动动能分布的等值线图，把脉动动能的分布图分成4个区域，详细阐述了脉动动能的分布规律。进一步研究了坝长、流量及水深对丁坝附近水流脉动动能分布的影响，并分析其原因，深入探讨丁坝附近的水流紊动。     

不同坝型丁坝坝体周围水流紊动特性试验研究*

通过水槽试验,结合理论分析,研究丁坝附近水流紊动强度沿水流方向、水深方向和横向的分布规律。绘制5种不同坝体结构形式其周围水流脉动动能和紊动强度的分布等值线图并分析分布规律,进一步探讨不同坝体挑角对丁坝附近水流紊动强度和脉动动能的影响。     

非淹没丁坝挑流对汊道分流的影响

本文通过模型试验,研究定床情况下非淹没单一正交丁坝置干汊道口门前主汊一岸对支汊分流的影响。应用水力学基本原理,探讨了在丁坝影响下支汊分流比的计算,得到(12)式,由(12)式计算的支汉分流比与实测值基本吻合。对于无丁坝时的分流进行研究,其目的是供有丁坝时进行比较,并就本模型试验条件做了一些试验和理论探讨。     

淹没式丁坝三维绕流的数值模拟*

利用FLUENT中的RNG k-ε湍流模型和VOF模型对淹没式丁坝周围流场进行了数值模拟研究.计算结果表明,由于丁坝的束水作用,主流区的流速增大,丁坝下游出现了较大的回流区,回流区的流速较小.同时,水流在丁坝处发生了壅水现象,靠近丁坝上游的水位增高,经过丁坝后的水位迅速下降,并在丁坝下游沿程逐渐恢复.计算结果和试验观察与丁坝绕流客观规律相符合,流速计算结果与试验数据吻合较好,说明该模型可用于航道整治中有关丁坝的工程计算中.     

透水性碎石丁坝绕流及块体受力的数值模拟

碎石丁坝常用于河道的水流调控,其水动力学特征是评估工程效应的重要依据。流固耦合数值模型可有效地用于模拟相关的水动力学过程,描述其力学特征。建立了带自由表面多孔介质水流模型和离散单元法相耦合的CFD-DEM数值模型,并依据试验数据对模型进行有效性及模拟精度的验证。利用该数值模型开展碎石丁坝绕流的数值模拟,研究结构透水性对局部流动和碎石体受力的影响。研究结果表明：1）随着丁坝透水性的增强,尾流区沿流向延长。2）不同坝体透水性条件下的主流区及尾流区的速度分布有明显的差异,但尾流区内的剪切流速的分布具有一定的相似性。3）丁坝结构受力分析显示,随着坝体透水性的增强,块体受力区域由坝头向坝身蔓延、受力区面积逐渐增大。     

丁坝紊动特性试验研究

利用三维超声学多普勒流速仪对丁坝坝头附近水流和回流区水流的紊动特性进行了系统的观测和分析,得到了丁坝坝头和回流区的水流特性及紊动动能的分布规律。     

丁坝坝头在水流冲刷下的有效防护

针对丁坝坝头处冲刷的问题,依托孟加拉国贾木纳河右岸丁坝防护项目,研究探讨了丁坝坝头处的冲刷机理和主要影响因素。基于河流动力学基础理论,提出了丁坝坝头处的防护改进措施。采用原型观测方法,进行坝头处的有效防护研究,提出的方法防护效果良好。     

阶梯形丁坝局部冲刷特性数值模拟*

阶梯形丁坝局部冲刷特性研究对河道整治工程方案设计具有重要意义。应用平面二维水流泥沙数学模型,研究来流条件及丁坝尺度对阶梯形丁坝局部冲刷的影响。结果表明：在清水恒定流作用下,冲刷达到平衡所需历时主要受来流条件影响,而受丁坝几何尺度的影响相对较小;随着弗劳德数Fr的增大,冲刷坑面积A、最大冲深hs总体均呈线性增加,Fr≤0.565时平均冲深 随Fr增长较慢,Fr＞0.565时 随Fr增长相对较快;一级丁坝高度、二级丁坝长度对局部冲坑形态及冲深发展的影响具有一定的等效性;hs与 均随一级丁坝相对高度ψ的增加而增大,当ψ＞0.7时其增幅趋于平缓。     

基于减小坝头局部冲刷的非淹没式水力插板透水丁坝群优化试验

为了寻找水力插板透水丁坝群减小坝头局部冲刷的最佳设计参数和布置方案。文章在双丁坝布置的情况下,通过改变第二、三个丁坝的间距,第三个丁坝的挑角、透水率、长度进行单因素试验,得出各单因素与第三个丁坝坝头冲刷坑深度的回归方程。再从每组单因素试验结果中选择最佳试验水平,利用L9(34)正交试验设计表设计4因素3水平的正交试验。正交试验结果表明:4个单因素对第三个丁坝坝头冲刷坑深度的影响为:丁坝长度>丁坝间距>丁坝透水率>丁坝挑角。水力插板透水丁坝群减小坝头局部冲刷的最佳设计参数和布置方案:第一个丁坝长度,第二个丁坝长度,第三个丁坝长度与河宽的比值分别为0.25、0.21、0.21;第一个、第二个丁坝透水率为30%,第三个丁坝透水率为20%;第一、二个丁坝间距与第一个丁坝长度的比值为3,第二、三个丁坝间距与第二个丁坝长度的比值为2;第一个、第二个和第三个丁坝挑角为60°。     

深水航道整治中新型结构淹没丁坝与水流相互作用

大型混凝土齿形丁坝首次应用于深水航道整治工程中,其与水流相互作用的影响并不清晰。通过理论分析与数值模拟的方法对新型丁坝的壅水特性进行研究,并通过与其它坝型结构对比分析了新型丁坝对过坝水流的影响,进而通过阻挡流量的表征方法对新型丁坝的水流力计算方法进行探讨。研究发现新型丁坝壅水公式能够较为合理地预测其壅水值,且由于基床的存在,新型丁坝对过坝水流的影响较小,同时,通过阻挡流量表征的水流力计算公式形式更为简便。新型丁坝的引入对长江沿岸水沙及生态平衡起到保护作用,其研究成果可为新型丁坝的设计及应用提供科学的理论指导,也对其他新型结构设计具有借鉴价值。