复式河道水流特性数值模拟研究

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天然河道中,大多数河流都是由滩地和主槽组成。在洪水时,水位上升,漫及边滩,形成了由主槽和滩地一起过流的情况。主槽、滩地两种不同流速的水流在滩槽交界面交汇,产生强烈的动量交换及大量的二次流旋涡,导致滩地流速的增大和主槽部分区域断面流速的降低,全断面流速减小,洪水传播时间较长;同时二次流流动影响了水体中污染物、泥沙的输运及水生动植物的生长。随着滩地人口的显著增加,滩地区域经济的快速发展,滩地的防洪安全问题也引起了社会越来越多的关注。因此,对复式渠道三维水流特性的研究,对于防洪安全、防洪设计规划、水体中污染物、泥沙输运、河流的生态环境以及滩地土地利用等问题,具有十分重要的意义。本文采用雷诺应力模型模拟了不同断面形状的渠道水流特性,主要内容及研究成果如下:(1)模拟了不同宽深比的矩形断面、不同倾斜角的梯形断面及不同滩地水深的复式断面渠道水流特性,计算了断面主流速、边界剪切应力、紊动能及二次流分布。模拟结果与实验资料吻合较好。(2)对宽深比较小的矩形及复式渠道自由水面采用了VOF模型,较好的模拟了窄渠横断面最大流速在水面以下的现象。(3)探讨了复式断面主槽边坡角、滩地水深、滩地宽度等因素对断面主流速分布、垂线流速分布、二次流大小和分布及边界剪切应力分布的影响。研究结果可为工程设计、理论研究及宏观决策提供参考。
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