复式河槽水流特性数值模拟及流量计算方法对比与分析

摘要

天然河流多为复式河槽，其断面由滩地和主槽两部分构成。枯水季节水流主要在主槽内流动，洪水季节时水流漫过滩地形成漫滩水流，滩槽水体间的相互作用及动量交换使断面流速分布及床面剪切应力发生变化，此时若直接采用曼宁公式计算过流能力则会产生极大误差。滩槽水体间的相互作用使主槽行洪能力降低，滩地行洪能力增加，水流条件复杂，对防洪工程的安全产生较大影响，故研究复式河槽的水力特性具有重要意义。 本文采用雷诺应力模型对不同断面形态复式河槽的水流特性进行数值模拟，通过分析曼宁公式中流量与水深的函数特性及数值模拟结果，对曼宁公式计算复式河槽水位流量关系时产生的误差及漫滩时出现流量随水深增加而减小的反常现象进行了讨论，以英国科学与工程研究理事会洪水水槽设备(SERC-FCF)的试验资料为验证依据，总结了目前常用的12种计算复式河槽过流能力的方法，并分析了滩地宽度、主槽边坡系数及水深等因素对上述方法计算精度的影响，最后对比了上述方法在不同断面形态河槽中的精度，选择出适用范围广、精度高、计算简便的最优方法。论文主要得出了以下结论： (1)水流漫滩后，在滩槽交界处会产生一对运动方向相反的主槽涡和滩地涡，两涡的运动强度将随水深的增加而增大，此外主槽边坡越陡，二次流的强度越大，并在主槽壁面底部形成了一个与主槽涡运动相反的小漩涡，增大了水流对主槽边坡及河床的冲刷；滩地宽度越小，二次流对滩地流速分布的影响越大。 (2)各槽在主槽区的流速等值线较为均一，最大流速均在自由水面，靠近主槽边壁时，底部流速等值线逐渐向自由水面弯曲，并在滩槽交界处斜向凸起于主槽水面，随着水深增大，其影响范围逐渐扩大至自由水面，且运动方向与该位置处的二次流一致，最大流速位于水面以下，且主槽边坡越陡，等值线的弯曲度越大；滩地宽度越小，各槽在滩地区的主流等值线越不均匀。 (3)由横向运动强度、纵向流速及垂线平均流速的分布可知，主槽区和滩地区的水流受动量交换影响较小，滩槽交界处的水流受其影响较大。 (4)对于任一河槽，主槽区的床面剪应力大于滩地区，随着水深的增大，滩槽间的剪应力差逐渐缩小，且主槽边坡越陡，主槽区的剪应力分布越均匀，滩地宽度越小，滩地区的剪应力分布越不均匀。 (5)河槽断面的湿周与水力半径满足不等式△R/R+0.6(△x/x)/(1+△x/x)＜0时，曼宁公式中的流量-水深函数单调递减，水位流量关系曲线会出现流量随水深增加而减小的不合理现象。水流刚漫滩时，滩槽水体的流速差使水流产生横向运动，在滩槽交界处形成二次流，曼宁公式是基于均匀流条件的经验公式，故水流刚漫滩时的计算结果较实际偏小且误差最大；随着水深的逐渐增大，滩槽间的动量交换强度也随之增强，滩槽水体的流速差逐渐减小，水体趋于均匀流，其计算误差逐渐减小。 （6）水深是影响上述方法计算精度的主要因素，滩地宽度次之，主槽边坡系数最小；CES法与协同度法的精度仅受水深的影响，其他方法除受水深影响之外还与断面形态有关。 （7）不管水流是否漫滩，与其他方法相比，CES法的精度相对较高，操作简便，能准确快速地计算断面水位流量关系，而且其精度不会受断面形态的影响，能够在实际中得到广泛应用，因此在计算复式河槽过流能力时本文推荐采用CES法。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究进展

1.2.1垂线平均流速横向分布

1.2.2床面切应力分布

1.2.3二次流

1.2.4过流能力计算方法

1.2.5数值模拟研究进展

1.3主要研究内容

2数学模型理论及计算方法

2.1CFD简介

2.2基本控制方程

2.3紊流数学模型

2.4数值离散方法

2.5离散方程求解方法

2.6本章小结

3复式河槽水流数学模型的验证

3.1基本控制方程

3.2计算区域与网格化分

3.3边界条件

3.4结果分析

3.5本章小结

4复式河槽水流特性的数值模拟

4.1复式河槽的模型建立

4.1.1网格划分

4.1.2边界条件和求解方法

4.2数值模拟结果与分析

4.2.1二次流分布

4.2.2横向运动强度沿水深分布

4.2.3不同河槽主流速度等值线的横向分布

4.2.4不同河槽的纵向流速沿垂线分布

4.2.5不同河槽垂线平均流速的横向分布

4.2.6不同河槽床面剪切力的横向分布

4.3本章小结

5复式河槽不同流量计算方法对比与分析

5.1曼宁公式计算复式河槽过流能力的误差分析

5.1.1曼宁公式中流量-水深的函数特性

5.1.2内因分析

5.2不同方法计算结果对比与分析

5.2.1不同形态河槽的流量相对误差随水深的变化

5.2.2不同流量计算方法的误差对比与分析

5.3本章小结

6总结与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果