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复式断面弯曲河道是自然界中常见的河道形态,受复式断面和弯道的共同影响,其中水流结构复杂多变且对河流中泥沙输运、河岸侵蚀、营养盐输运和河道的迁徙演变等产生重要影响。目前对其认识不足。本文采用大涡数值模拟方法(LES),引入柱坐标系,推导相应的水流控制方程。在利用试验数据进行验证后设计多种工况研究了复式断面河道,弯曲河道和复式断面弯道中的主流、环流、脉动、雷诺应力等变化规律,模拟结果表明: (1)由于复式断面的存在产生的二次流强度与浅滩深度有关,随着滩槽深度比的降低,二次流强度逐渐减小,但如果滩槽深度比过大或浅滩深度直接接近主槽深度,则整个复式断面流速分布接近于矩形明渠断面流速分布,二次流强度变小。在滩槽深度比为1/2附近的时候,二次流强度最大,达到主流平均流速的5%。 (2)弯曲河道中横向环流的强度受到河道宽度和水深的影响,且随河道宽度增大和水深增加,横向环流强渡随之增大。在所模拟工况中,由于弯道存在产生的横向环流强度最大为主流平均流速的3.5%。 (3)复式断面弯道水流结构不是简单的复式断面水流结构和弯道水流结构的叠加,模拟结果显示,环流强度最大为主流强度3.5%,由于离心力产生的环流强度占据主导地位。改变主槽浅滩的位置对复式断面弯道的水流结构影响很大,浅滩在凹岸的时候浅滩水流结构更复杂且主槽浅滩间水体混掺强度明显大于浅滩在凸岸。 上述研究揭示了复式断面弯道中的水动力规律,为进一步认识复式断面弯曲河道中水流结构及泥沙输运,污染物扩散等有重要意义。