丁坝挑角对周围流场及局部冲刷影响的三维数值模拟研究

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丁坝是河道整治中常见的水工建筑物,可以有效地改变河道的水流结构,对于岸坡防护、水运通航以及提高水生物栖息环境都发挥了积极的作用。但同时,坝头处的冲刷也将对丁坝的稳定性产生较大影响。根据丁坝与来流方向交角的不同,可分为上挑型、正挑型以及下挑型,而丁坝挑角的不同,对丁坝绕流、坝头冲刷均产生不同的影响。本文基于Ansys Fluent软件,采用RNG k-?湍流模型以及SIMPLEC算法,并结合Fluent动网格技术,对60°、90°以及120°挑角非淹没丁坝附近流场以及冲刷情况进行了三维数值模拟,得到以下结论:(1)在河宽束窄率相同的情况下,三种挑角丁坝的坝后回流区范围基本一致,但回流区涡心的位置随挑角的减小而向下游移动。通过与李国斌回流范围公式的计算结果对比,回流长度模拟值的相对误差为11.7%,回流宽度的相对误差为1.3%。(2)对比了各挑角丁坝附近的流速场、湍动能、湍动能耗散率以及床面切应力分布情况。结果表明,不同挑角的丁坝的流速和湍动能分布规律基本一致,速度最大值稍有不同,其中90°挑角对应值最大。根据回流区各断面的垂线流速分布可知,随着距坝距离的增加,断面平均流速先增大后减小。湍动能和湍动能耗散率的较大值均分布于坝后主流区与回流区交界处,且最大值均出现在坝头下游区域,坝头附近的湍动能低能区的分布范围随着挑角的增大而增大,而高能区范围却随着挑角的增大而减小;由于60°挑角丁坝对水流的引导作用,其下游床面切应力相对更大。(3)基于Fluent动网格技术,将泥沙输运方程、河床冲淤方程以及沙滑模型编入到UDF文件中以实现丁坝局部冲刷,并与前人的水槽试验结果进行对比,其中90°丁坝的最大冲深相对误差为11.8%,冲坑长度相对误差为6.7%,冲坑宽度相对误差为18.8%。三个挑角的模拟冲深与张义青、田伟平公式的相对误差较小。(4)不同挑角丁坝的局部冲刷模拟结果表明,最大冲深位置位于坝头附近,冲刷坑形态整体呈倒圆锥形。随着挑角的增大,最大冲刷深度和坝前冲坑长度逐渐增大,而坝后冲坑长度逐渐减小,最大冲深位置也随挑角增大而向上游移动。在压力梯度的影响下,坝前冲刷坑内产生了顺时针涡旋,并在丁坝外侧和下游也有一定的发展。(5)对比分析了冲刷坑纵剖面的床面切应力与泥沙临界起动切应力的分布情况。临界起动切应力的沿程分布呈双峰型,床面切应力呈先增大后减小的趋势,最大值为0.78Pa,小于平坡条件下的泥沙临界起动切应力。
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