Y形明渠交匯水流的數(shù)值模擬研究.pdf

1、明渠交匯河段在我國(guó)各大流域分布廣泛，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)Y形交匯占有相當(dāng)?shù)谋戎?。交匯口處常常出現(xiàn)污染物滯留、、泥沙沉淤等問(wèn)題，一直以來(lái)，都是水利、航運(yùn)、防洪和環(huán)保等部門(mén)關(guān)注的重點(diǎn)。目前對(duì)于Y形明渠交匯的研究屈指可數(shù)。從研究深度上來(lái)看，受試驗(yàn)條件和觀測(cè)資料等因素的制約，研究成果局限于現(xiàn)象描述和定性分析。近年來(lái)，隨著數(shù)值計(jì)算方法的日益成熟和計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，使利用數(shù)值方法分析復(fù)雜的流動(dòng)成為可能。已有部分研究者利用這一方法分析水利工程中一些典型

2、的流動(dòng)現(xiàn)象，如丁壩、橋(閘)墩繞流、堰流等。本文回顧和總結(jié)了以往相關(guān)的研究工作，將數(shù)值計(jì)算的方法引入到Y(jié)形交匯水流的研究當(dāng)中，借助其靈活、高效的優(yōu)勢(shì)嘗試定量分析Y形明渠交匯水流的水力特性。 本文對(duì)交匯口水力特性和數(shù)值模擬技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)作了比較全面的回顧和展望，隨后探討了流場(chǎng)數(shù)值模擬的基本原理。在此基礎(chǔ)上，建立了三維各向異性的雷諾應(yīng)力模型。為了使研究成果更具有通用性，本文建立了交匯角30°、45°、60°、90°、120

3、°的五種水槽模型，匯流比依據(jù)天然河流匯流比的變化范圍選取0.2、0.3、0.35、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8八種匯流比工況。計(jì)算網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，在近邊壁區(qū)域布置了精密網(wǎng)格，以便準(zhǔn)確反映分離區(qū)的流動(dòng)特征。本文采用交錯(cuò)網(wǎng)格上的有限體積法離散控制方程，用SIMPLE算法對(duì)壓力一速度場(chǎng)求解。與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，反映了數(shù)學(xué)模型的可信性。 本研究采用可視化顯示及統(tǒng)計(jì)回歸的方法分析不同交匯角

4、、匯流比條件下Y形交匯河段的水力特性。通過(guò)數(shù)值模擬，證實(shí)了Y形交匯河段的自由水面存在橫向比降和縱向比降，文章系統(tǒng)的分析了在不同的交匯角和匯流比條件下，水面形態(tài)呈現(xiàn)的規(guī)律性變化。Y形交匯河段最典型的水面形態(tài)特征表現(xiàn)為滯留區(qū)水位壅高，分離區(qū)形成低水位。本文定量分析了滯留區(qū)的最大相對(duì)水深和干流側(cè)分離區(qū)的最小相對(duì)水深隨交匯角、匯流比的變化規(guī)律，給出了上下游水深比與交匯角、匯流比的一般函數(shù)關(guān)系式。在已有研究成果的基礎(chǔ)上，本文分析探討了不同交匯角條

5、件下Y形交匯河段的流速分布特征；突破了以往關(guān)于分離區(qū)的定性分析，給出了分離區(qū)量化的定義，并擬合出分離區(qū)的幾何特征值與匯流比的函數(shù)關(guān)系。通過(guò)分析干支流匯入斷面上動(dòng)能修正系數(shù)、動(dòng)量修正系數(shù)變化規(guī)律，首次給出了Y形交匯水流動(dòng)量修正系數(shù)和動(dòng)能修正系數(shù)的參考范圍。干、支槽水流匯入主槽時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向與水槽的幾何軸線成一定的夾角，計(jì)算結(jié)果表明干流平均匯入角隨著匯流比的增大而增大；支流平均匯入角隨著匯流比的增大而減小。交匯口水流的雷諾應(yīng)力表現(xiàn)出明顯的各向