Y形明渠交汇水流的数值模拟研究

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明渠交汇河段在我国各大流域分布广泛,据资料统计Y形交汇占有相当的比重。交汇口处常常出现污染物滞留、、泥沙沉淤等问题,一直以来,都是水利、航运、防洪和环保等部门关注的重点。目前对于Y形明渠交汇的研究屈指可数。从研究深度上来看,受试验条件和观测资料等因素的制约,研究成果局限于现象描述和定性分析。近年来,随着数值计算方法的日益成熟和计算机硬件技术的飞速发展,使利用数值方法分析复杂的流动成为可能。已有部分研究者利用这一方法分析水利工程中一些典型的流动现象,如丁坝、桥(闸)墩绕流、堰流等。本文回顾和总结了以往相关的研究工作,将数值计算的方法引入到Y形交汇水流的研究当中,借助其灵活、高效的优势尝试定量分析Y形明渠交汇水流的水力特性。 本文对交汇口水力特性和数值模拟技术的研究现状及发展动态作了比较全面的回顾和展望,随后探讨了流场数值模拟的基本原理。在此基础上,建立了三维各向异性的雷诺应力模型。为了使研究成果更具有通用性,本文建立了交汇角30°、45°、60°、90°、120°的五种水槽模型,汇流比依据天然河流汇流比的变化范围选取0.2、0.3、0.35、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8八种汇流比工况。计算网格采用六面体结构网格划分,在近边壁区域布置了精密网格,以便准确反映分离区的流动特征。本文采用交错网格上的有限体积法离散控制方程,用SIMPLE算法对压力一速度场求解。与实测数据对比,数值模拟结果与试验结果吻合较好,反映了数学模型的可信性。 本研究采用可视化显示及统计回归的方法分析不同交汇角、汇流比条件下Y形交汇河段的水力特性。通过数值模拟,证实了Y形交汇河段的自由水面存在横向比降和纵向比降,文章系统的分析了在不同的交汇角和汇流比条件下,水面形态呈现的规律性变化。Y形交汇河段最典型的水面形态特征表现为滞留区水位壅高,分离区形成低水位。本文定量分析了滞留区的最大相对水深和干流侧分离区的最小相对水深随交汇角、汇流比的变化规律,给出了上下游水深比与交汇角、汇流比的一般函数关系式。在已有研究成果的基础上,本文分析探讨了不同交汇角条件下Y形交汇河段的流速分布特征;突破了以往关于分离区的定性分析,给出了分离区量化的定义,并拟合出分离区的几何特征值与汇流比的函数关系。通过分析干支流汇入断面上动能修正系数、动量修正系数变化规律,首次给出了Y形交汇水流动量修正系数和动能修正系数的参考范围。干、支槽水流汇入主槽时,运动方向与水槽的几何轴线成一定的夹角,计算结果表明干流平均汇入角随着汇流比的增大而增大;支流平均汇入角随着汇流比的增大而减小。交汇口水流的雷诺应力表现出明显的各向异性,文章最后详细分析了Y形交汇河段雷诺应力的分布规律。 希望所取得的经验公式和研究成果能为相关研究和工程实践提供参考和依据。
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