90°弯道中T型丁坝的水力特性研究

论文摘要

T型丁坝在有效减小水流对岸边冲刷破坏的同时,能够大大缓解传统直线型丁坝带来的负面影响。T型丁坝坝翼对水流形成的纵向阻挡不仅可以避免传统丁坝坝头的局部水毁,而且对河床形成的冲刷域面积和冲坑深度也都减小很多。目前针对T型丁坝的研究主要考虑弗劳德数、T型丁坝坝翼与坝身长度及其长度比等参数对河床冲刷形态和冲刷深度及河床切应力的影响。由于有关坝翼与坝身夹角θ和坝轴线中心角α对回流大小、水面比降、横向环流、断面流速、河床切应力等水力特性影响的研究还未涉及到,本文从这一角度出发,研究在无丁坝、直线型丁坝、T型丁坝三种工况下90°弯道水流中的水力特性,对比分析得到T型丁坝的优越性,然后进一步研究T型丁坝坝翼与坝身的夹角θ以及坝轴线中心角α对90°弯道水流水力特性的影响。主要研究内容和研究成果如下：(1)T型丁坝与传统丁坝一样,使得弯道中水流分离现象更加明显,坝前、坝后形成回流区,但是T型丁坝形成的下游回流区与直线型丁坝相比面积明显减小,对弯道水流横纵比降、横向环流等水力特性的影响也小于直线型丁坝。回流大小受坝翼与坝身的夹角θ的影响较大,随θ的减小而逐渐递增,当减小到45°时,回流宽度约为弯道宽度的1/3；回流长度在0=75°时,相对最短；而回流长度受T型丁坝坝轴线中心角α的影响较大,a越小,其长度越小,当a=30°时,回流长度与矩形丁坝相比,缩短了46.9%°(2)弯道中放置丁坝会加剧横向环流这一现象,但T型丁坝能够将横向环流移向河道中心,更好的保护河岸不受上游来水冲刷、侵蚀等水毁影响。研究表明,环流强度随坝翼与坝身的夹角θ和T型丁坝坝轴线中心角a的减小而减小。在与丁坝下游回流的相互影响下,横向环流提前消失。(3)T型丁坝坝型对坝前上游来流流速有较大影响。随着θ的减小,坝翼纵向阻挡转为横向阻挡,坝前上游流速会逐渐减小,但是当θ减小到一定值,约为60°之后,流速会反向增加。因此,合理的选择θ,可以减缓流速突增,有利于航运。而坝轴线交角对流速影响不是很显著,α减小,丁坝上下游各截面的流速会略微减小。流速较小时,T型丁坝上游凹岸水位超高△h2随θ的减小而增大；当流速较大时,△h2随θ的减小而减小。(4)T型丁坝比起直线型丁坝造成的河床切应力z突增率较小,并且切应力强度顺河道向下游衰退也更快。河床切应力τ的大小随着Fr的增大而增大,随着坝翼与坝身的夹角θ的减小呈现先递减再反向增加的趋势,并且切应力向下游扩散减小的梯度也是呈现先增大后减小的变化趋势,研究发现θ=75°时切应力最小。同时,τ还受到丁坝所处弯道截面中心角度的影响,随着T型丁坝坝轴线中心角a的减小而减小,即T型丁坝所处的位置越靠近弯道进水口,水流对河床冲刷作用力越小,破坏力度越轻。鉴于弯道水流本身的特性,T型丁坝放在坝轴线中心角a=30°时对河床形态发展较好。(5)综合比较回流大小、流速、河床切应力三个方面,T型丁坝坝翼与坝身夹角θ=75°时,体型最优。并且将T型丁坝放置在靠近弯道入口处,坝轴线中心角a约为30°时,可以更好的发挥T型的体型优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 T型丁坝及弯道水流
• 1.1.1 丁坝
• 1.1.2 T型丁坝
• 1.1.3 弯道水流
• 1.2 工程应用及工程意义
• 1.2.1 工程应用
• 1.2.2 工程意义
• 1.3 丁坝的研究现状
• 1.3.1 国内研究现状
• 1.3.2 国外研究现状
• 1.4 本文的研究内容及方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 1.5 本章小结
• 第二章 90°弯道中T型丁坝的数值模拟
• 2.1 数值模拟的基本理论
• 2.1.1 数值方法
• 2.1.2 基本控制方程
• 2.2 数值计算的验证
• 2.2.1 水面线的验证
• 2.2.2 流速验证
• 2.3 T型丁坝模型及方案
• 2.3.1 方案设计及参数选取
• 2.3.2 网格划分及边界条件
• 2.4 本章小结
• 第三章 T型丁坝对90°弯道水流的影响分析
• 3.1 对水面形态的影响
• 3.1.1 回流
• 3.1.2 横向比降
• 3.1.3 纵向比降
• 3.2 横向环流
• 3.3 对河床切应力的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 T型丁坝坝翼与坝身的夹角对水力特性的影响
• 4.1 T型丁坝坝翼与坝身的夹角θ对回流区的影响
• 4.1.1 θ对回流区宽度的影响
• 4.1.2 θ对回流区长度的影响
• 4.2 T型丁坝坝翼与坝身的夹角θ对流速的影响
• 4.3 T型丁坝坝翼与坝身的夹角θ对水面超高的影响
• 4.4 T型丁坝坝翼与坝身的夹角θ对横向环流的影响
• 4.5 T型丁坝坝翼与坝身的夹角θ对河床切应力的影响
• 4.5.1 θ对切应力分布的影响
• 4.5.2 θ对最大切应力的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 T型丁坝坝轴线中心角对水力特性的影响分析
• 5.1 T型丁坝坝轴线中心角α对回流形态的影响
• 5.1.1 回流宽度
• 5.1.2 回流长度
• 5.2 T型丁坝坝轴线中心角α对断面流速的影响
• 5.3 T型丁坝坝轴线中心角α对横向环流的影响
• 5.4 T型丁坝坝轴线中心角α对河床底部切应力的影响
• 5.4.1 河床切应力的分布
• max的影响'>5.4.2 α对最大切应力τ_max的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文的主要研究成果
• 6.2 建议及展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介