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        國內(nèi)外丁壩群的水力特性研究現(xiàn)狀及展望

        2021-06-27 07:20:20許昊麗李春光通訊作者
        四川水泥 2021年6期
        關(guān)鍵詞:模型研究

        駱 言 許昊麗 李春光通訊作者,,2

        (1.寧夏大學土木與水利工程學院,寧夏 銀川 750021;2.北方民族大學土木工程學院,寧夏 銀川 750021)

        1 丁壩群的流場結(jié)構(gòu)

        近年來,關(guān)于丁壩群流場結(jié)構(gòu)的研究,張巖[1]等用運用RNG k-? 湍流模型結(jié)合VOF 法,對60°彎道的丁壩繞流進行了研究,模擬了三種工況,研究表明:凸岸流速大于凹岸流速;丁壩前水面橫降比、丁壩后回流區(qū)隨著丁壩長度的增大而增大。魏文禮[2]等運用同樣的方法,對60°彎道的丁壩群進行彎道水力特性試驗,結(jié)果表明:由于丁壩群的存在,彎道內(nèi)的最大流速、最大流速區(qū)的面積明顯增加;每座丁壩后均有回流區(qū)產(chǎn)生,其中首座丁壩的回流區(qū)面積最大。Cheng[3]等通過MlKE3-FM 模型對60°彎道內(nèi)的非淹沒直丁壩進行數(shù)值模擬,研究了不同丁壩傾角對流場結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)的影響,結(jié)果表明:隨著丁壩傾角的增大,丁壩周圍的流場結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)都會發(fā)生變化;上游水面橫降比先增后減;下游水面橫降比先減后增。通過總結(jié)國內(nèi)外試驗研究成果可知:丁壩群使下游丁壩回流區(qū)長度增加;上游丁壩的回流區(qū)縱向流速沿高程的增加而減小,但不會減小到無丁壩時的情況;下游丁壩越長,挑流和壅水越明顯;下游丁壩回流區(qū)寬度通過改變下游丁壩在在上游丁壩的實際有效壓縮比來控制。

        2 丁壩群的紊動強度

        關(guān)于丁壩群紊動強度的研究,Sohail Iqbal[4]等采用FLUENT 軟件開發(fā)的雷諾應(yīng)力紊流模型,對不同滲透性的丁壩進行了數(shù)值模研究,通過試驗的水深和三維流速,分析了不同位置的速度剖面、等值線、紊流強度和紊流動能,結(jié)果顯示:隨著丁壩滲透性的增加,不透水丁壩場內(nèi)形成的回流區(qū)減小;與不透水丁壩相比,透水丁壩壩頭的紊流強度和紊流動能明顯降低;為減小丁壩回流區(qū),應(yīng)采用透水丁壩。Shahab Nayyer[5]等建立了建立了不同丁壩形狀(I-、L-和T-型)的三重串聯(lián)組合繞流流場水力特性的模型試驗,運用FLOW-3D 軟件進行最優(yōu)組合和控制試驗的數(shù)值模擬分析,結(jié)果表明:(LTT)串聯(lián)組合對降低丁壩周圍的速度、剪應(yīng)力、壓力和紊流動能最為有效;不同幾何形狀的丁壩串聯(lián)使用,對減少沖刷有積極作用;將有防護丁壩的丁壩組合與無防護丁壩的丁壩組合進行了比較,防護丁壩可以降低水流特性強度和沖刷深度。Shampa[6]等進行了不同角度的引道水流和兩種類型的單樁位置布置的室內(nèi)試驗,建立了三維多相數(shù)值模型并分析,結(jié)果表明:高滲透性丁壩群可以降低沿岸的縱向流速、紊流強度,出現(xiàn)更多橫向水流;丁壩群交錯布置樁格位置,既可降低河床剪應(yīng)力,又可改善紊流區(qū)的水流形態(tài)。通過總結(jié)國內(nèi)外試驗研究成果可知:回流區(qū)紊動強度均比主流區(qū)的紊動強度大;紊流強度在縱向上高于橫向和垂向;為減小紊流強度、降低水流剪應(yīng)力,可采用透水性較強、(LTT)丁壩形狀串聯(lián)組合、交錯布置樁格位置的方式。

        3 丁壩群的局部沖淤

        在丁壩群局部沖淤的研究方面,楊旭亮[7]等對實際河道中的雙丁壩進行了模擬,建立了三維數(shù)值模型,擬定了 5 種對比方案,對比分析了雙丁壩的水沙運動特性,結(jié)果表明:雙丁壩長度差不應(yīng)大于 10 m ;當雙丁壩長度符合匹配時,沖刷坑位置在雙丁壩之間,坑底平緩,沖刷深度?。蛔畲鬀_刷坑在次丁壩附近;沖刷坑上游較緩,下游較陡。Manish Pandey[8]等在室內(nèi)進行了90 度彎道T 形丁壩沖刷的試驗,用聲波多普勒測速儀測量了T 形壩沖刷孔內(nèi)的三維流場,結(jié)果表明:丁壩的沖刷量隨著弗勞德數(shù)和長度的增加而增加;增大丁壩翼長可以減小丁壩的沖刷;丁壩上游的沖刷量比下游大很多。Ezzeldin[9]等通過對五種不同開孔率丁壩模型進行試驗,研究了透水丁壩與實心丁壩對最大沖刷深度的影響,驗證了Nays-2DH 模型的準確度。岳志春[10]以黃河寧夏青石段河道為基礎(chǔ),通過改進材料配比的方式進行了壩垛模型試驗,提供了更佳的丁壩上跨角、占體寬度等設(shè)計參數(shù)。目前,在國內(nèi)外,室內(nèi)試驗條件下的丁壩沖刷研究仍處于理論探索階段,各個影響因素如何影響沖刷過程以及相關(guān)物理量之間的關(guān)系還不能確定,因此,探索各個影響因素與沖刷物理量之間的關(guān)系,具有廣闊研究意義。

        4 數(shù)值模擬計算方法

        近年來,將丁壩試驗研究與數(shù)值模擬進行結(jié)合成為一種高效、可行的方法。最初學者們主要以二維數(shù)值模型為主,但由于丁壩繞體水流的三維特征明顯,二維數(shù)值模型無法充分研究其特征,因此,越來越多的學者選用三維數(shù)值模型進行丁壩流場、紊動強度、局部沖淤等方面的研究。以下列舉了常見的三維數(shù)值模擬方法。

        4.1 流動控制方程

        (1)水流連續(xù)方程

        (2)水流動量方程

        4.2 RNG k-? 數(shù)值模擬方法

        紊流動能k和紊動能耗散率ε方程[2]:

        式中;經(jīng)驗常數(shù)Cμ=0.0845。

        4.3 泥沙運動方程

        (1) 泥沙挾帶計算

        式中:參數(shù)αi=0.018;ns為法向向量;τ為局部剪切應(yīng)力。

        (2) 推移質(zhì)輸運計算

        式中:ψ為水流方向與斜坡間的夾角;β為河床坡度;為泥沙休止角。

        5 總結(jié)與展望

        本文通過總結(jié)近年來國內(nèi)外關(guān)于丁壩群在流場結(jié)構(gòu)、紊動強度、局部沖淤等方面的研究,探討了丁壩群的未來研究方向和常見研究方法,結(jié)果如下:(1)國內(nèi)外在進行丁壩群的流場結(jié)構(gòu)、紊動強度方面的研究時,多采用清水水流的物理模型試驗,但在高含沙量的黃河,其流場結(jié)構(gòu)、紊動強度是受水流、泥沙、壩體三者共同影響。未來應(yīng)進行高含沙量的水流物理模型試驗,探討在高含沙量水流作用下的丁壩群水力特性。(2)在關(guān)于丁壩群的沖淤方面,國內(nèi)外許多學者針對不同的研究情況,提出了基于不同工況下的關(guān)于丁壩沖淤方面的經(jīng)驗性或半經(jīng)驗性公式。未來應(yīng)將原型觀測和模型觀測相結(jié)合,以探究在不同工況下丁壩沖淤的作用機理和通用公式。(3)丁壩群的水力特性是復雜的相互作用的過程,將原型觀測、物理模型試驗和數(shù)值模擬耦合進行結(jié)合,通過改進觀測方案、增加模型精度及豐富數(shù)值模擬等方法,進而深入探討丁壩群的作用機理,形成完整研究體系。(4)國內(nèi)外數(shù)值模擬的計算輸出結(jié)果多是以數(shù)據(jù)報表和圖表的形式將離散數(shù)據(jù)進行輸出,費時費力,還難以直觀把握計算結(jié)果的準確性。未來,應(yīng)將大量的離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以圖形或圖像形式表示的靜態(tài)或動態(tài)畫面,從而實現(xiàn)計算結(jié)果的可視化。(5)目前,國內(nèi)的丁壩研究集中在探究壩體附近水流流場和局部沖刷等水力特性。在國外,大量學者將丁壩研究與景觀學、社會學等學科進行融合,分析丁壩的空間形成功能,考察總結(jié)人類的近水活動。未來,應(yīng)將丁壩研究與社會科學進行融合,分析丁壩在河流空間中的生態(tài)、經(jīng)濟功能,闡明丁壩與人類活動的關(guān)系,為人類活動創(chuàng)造良好的條件。

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