干支流交汇口水力特性三维数值模拟研究

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天然河道的交汇口水域,由于水流的相互掺混,水势方向多变,影响航运的安全及泥沙的输运、行洪和污物的转移。故此,对天然河道交汇口水力特性进行研究是非常有必要的。本文在前人研究的基基础上,使用应用广泛并成熟的商用fluent软件,建立三维数学模型,研究了交汇口水域的水力特征,研究成果如下:(1)利用所建立的三维模型,对工程实例嘉陵江与长江的交汇河段进行计算分析,主要研究在不同交汇比情况下出现的螺旋流的情况,汇流的掺混区随着汇流比增加,在汇流口的下游断面,干流的水位不断降低,支流水位不断上涨。通过所截取的下游断面螺旋流,可以得出在交汇口出现明显的正负螺旋相交的螺旋图,负值中心不断向支流偏移,正值中心却向着主流方向靠拢;随着汇流比的增大,正螺旋度逐渐减小,负螺旋度先减小后增大。(2)根据过去的研究表明对干支流交汇口处水力特性的影响主要是由于干支流交汇处的夹角、交汇流量比、交汇处的入流高差及交汇口下游的水流高度和佛罗德数所决定的,故此本概化模型主要研究的是在不同流量、不同交汇角、不同入汇高差的三种大的外部条件下,对“Y型”对称型入汇和非对称型入汇的两种入汇方式进行概化模型建立,计算和比较,得出相关的水力学特性。(3)在概化模型中,在总流量一定的情况下,对于汇流比的影响讨论如下“Y型”汇流口的螺旋流当干支流流量差距较大时,流量大的一方会在汇流口处靠近流量小的一方形成一个较大的螺旋流,另一侧螺旋流受到该流的压迫则不断向流量小的一侧靠拢,整个剖面将由流量大的一侧的螺旋流主导;当干支流量相当时,汇流口下游汇聚成两个大小相当的双螺旋结构。(4)对于非对称型概化模型而言在不同的入流高差下,在入流高程和在支流侧所形成的分离区的相互影响下,当分离区与入流高程所重合时,会加成支流入流能量,在底面形成一个较大能量的正螺旋流,而当分离区向下游推移时,则会与入流高程相抵消,而形成一个与原正螺旋流相反的负螺旋流。
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