局部绕流冲刷机理及数值模拟研究.doc

局部绕流冲刷机理及数值模拟研究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。