局部绕流冲刷机理及数值模拟研究

论文摘要

局部绕流冲刷是丁坝和桥墩等水工建筑物周围常见的水力现象,是造成该类工程破坏的重要原因之一。局部绕流流态呈显著三维特性,绕流形成的紊动漩涡与局部冲刷有密切联系。本文采用数值模拟方法对建筑物周围的绕流流场、局部冲刷及抛石防冲体的稳定性进行了研究,取得了如下主要成果:在三维水流模拟中引入修正的非平衡k-ε紊流模型,计算了未冲刷前的平整床面和形成冲坑后的斜坡床面两种地形条件下的桥台绕流,结果与实验吻合良好,较好地反映了建筑物周围的流速分布和漩涡发展规律。以实测的局部冲坑为已知边界,模拟了冲刷发展过程中的水流变化,初步揭示了局部冲刷的机理。模拟结果表明初始时桥墩附近的水流径向流速沿水深方向呈现近均匀分布,该区域水体紊动剧烈。出现冲坑后,冲坑底部形成主漩涡,漩涡中心流速比边缘处大,为强迫涡。随着冲深加大,主漩涡尺度增大,冲坑底部出现新的紊动涡核,紊动动能在冲坑内充分扩散并消耗,使得底部水流流速下降,冲刷速率逐渐降低,直至冲刷停止。提出了一个修正斜坡上输沙率公式的新方法,建立了基于该方法的泥沙数学模型。新提出的修正方法只需做一次修正就能同时反映重力对输沙率大小和方向的影响,与实验资料的对比证明其比以前的方法有更好的修正效果,且能够避免在数值计算过程中出现奇点。建立的泥沙模型中应用了上述改进方法,并在推移质离散插值过程中考虑了重力作用对输沙率插值方向的影响。模型应用于对桥台和丁坝的局部冲刷模拟,取得了与实测冲坑形态较一致的结果,分析表明竖轴漩涡对尾部冲坑形态有重要影响。采用朗肯涡模型对旋涡流场进行了简化,推导了受竖轴旋涡作用的块石起动流速公式,结果表明旋涡作用能使块石起动流速显著降低,导致块石在低速水流中仍可能被卷走。结合丁坝实测的旋涡尺度和强度推导了以颗粒粒径、丁坝长、水深及束窄率表示的临界起动公式,研究对实际工程有参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 局部冲刷中需要研究的问题
• 1.3 论文研究思路和主要内容
• 第2章 局部绕流冲刷研究综述
• 2.1 本章引论
• 2.2 局部绕流的实验研究综述
• 2.2.1 绕流流体结构的实验研究进展
• 2.2.2 绕流床面切应力的实验研究进展
• 2.3 局部绕流的数值模拟
• 2.3.1 二维水流数学模型
• 2.3.2 三维水流数学模型
• 2.3.3 大涡模型
• 2.3.4 模型计算网格和插值方法
• 2.4 局部冲刷的实验研究综述
• 2.4.1 局部冲刷分类
• 2.4.2 局部冲刷的演变过程及力学机制
• 2.4.3 局部冲刷的影响因素及冲刷公式
• 2.5 冲刷深度随时间演变过程的理论研究综述
• 2.5.1 主要模型介绍
• 2.5.2 基于漩涡冲刷机理的简化模型
• 2.6 局部冲刷的数值模拟研究综述
• 2.6.1 泥沙数学模型研究回顾
• 2.6.2 局部冲刷中强紊动对输沙的影响
• 2.6.3 局部床面坡度对输沙的影响研究
• 2.6.4 局部冲刷数值模拟的关键问题
• 2.7 防冲抛石的稳定研究综述
• 2.8 本章小结
• 第3章 三维水流数学模型及局部绕流模拟
• 3.1 本章引论
• 3.2 水流基本方程及紊流模型
• 3.2.1 水流动量方程
• 3.2.2 k- ε紊流模型
• 3.2.3 边界条件
• 3.3 方程离散与求解
• 3.3.1 动量方程的离散
• 3.3.2 压力与速度耦合
• 3.3.3 离散代数方程组的求解
• 3.3.4 水流模型的迭代步骤
• 3.4 平整床面时桥台绕流模拟
• 3.4.1 计算条件
• 3.4.2 标准k- ε模型和非平衡模型的比较
• 3.4.3 计算的流速场与实测结果的比较
• 3.4.4 床面切应力分布
• 3.5 桥台局部冲坑内的绕流模拟
• 3.5.1 计算条件
• 3.5.2 计算的流速场分布
• 3.5.3 紊动动能分布
• 3.5.4 计算的床面切应力分布
• 3.6 绕流漩涡随桥墩冲深变化过程的数值模拟
• 3.6.1 计算条件
• 3.6.2 计算结果分析
• 3.7 本章小结
• 第4章三维泥沙数学模型的建立及局部冲刷模拟
• 4.1 本章引论
• 4.2 悬移质输运
• 4.2.1 基本方程
• 4.2.2 边界条件
• 4.3 推移质输运
• 4.4 河床坡度对泥沙输运的影响
• 4.4.1 概述
• 4.4.2 斜坡上泥沙起动
• 4.4.3 斜坡上推移质输沙率修正
• 4.5 河床变形求解
• 4.5.1 基本方程
• 4.5.2 不平衡推移质输沙方程的离散
• 4.5.3 床面变形的求解
• 4.5.4 模型的求解流程
• 4.6 模型验证
• 4.6.1 悬移质浓度输运的验证
• 4.6.2 推移质两种插值方式的比较
• 4.7 模型在局部冲刷中的应用
• 4.7.1 方形桥台局部冲刷模拟
• 4.7.2 绕丁坝局部冲刷的数值模拟
• 4.8 本章小结
• 第5章散抛石裹护体的防冲稳定问题
• 5.1 本章引论
• 5.2 抛石剪切破坏与最小稳定粒径
• 5.3 漩涡作用对抛石稳定的影响
• 5.3.1 流场分析
• 5.3.2 流体对块石的作用
• 5.3.3 受漩涡作用的颗粒起动流速
• 5.3.4 丁坝周围的块石起动流速
• 5.4 抛石分选破坏与裹护厚度
• 5.5 抛石体边缘破坏及裹护范围
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果