發(fā)布時間：2019-01-07 20:41

【摘要】：丁壩是一種普通的水工結構,被廣泛的應用于河岸防護與河口治理工程中。它可以改變河道水流結構,沖深河床,同時也能削弱近岸水流從而使堤岸不受沖刷。但由于丁壩周圍流動呈強三維紊流特征,相應壩頭局部床面不可避免地會產生沖刷坑,嚴重時將導致丁壩水毀。本文提出了一種新型的丁壩結構,即正態(tài)曲面丁壩,旨在保證河岸防護效果的前提下,以構造的整體流線型曲面來改善丁壩附近水流結構,進而減少壩頭局部沖刷。采用Matlab與Pro/E混合建模的方法,構建了可模擬曲面丁壩附近水流及局部沖刷的三維模型。通過數(shù)值模擬的方法對梯形丁壩和曲面丁壩附近三維水流進行了研究,得到了兩種丁壩周圍的流場、湍動能、河床切應力與渦量強度分布。曲面丁壩因其流線型的正態(tài)曲面設計,能較好地改善壩體附近的水流結構,中截面上最大流速相對梯形丁壩減小了12%,大流速區(qū)域減小了近80%,湍動能和湍動能耗散率分別為梯形丁壩的1/5和2/3。而曲面丁壩近底面處渦量強度為13S-1,僅為梯形丁壩的60%。在Fluent下自編UDF程序對梯形丁壩和曲面丁壩附近局部沖刷進行動網格模擬,并用Flow-3d的sediment scour模塊進行了相應數(shù)值模擬,得到了兩種丁壩結構下局部沖刷坑最大深度。發(fā)現(xiàn)在相同流量條件下,最大沖深在曲面丁壩附近比在梯形丁壩附近減少了約20%,且沖刷坑范圍也有減小。結果表明,曲面丁壩新型的結構設計,能夠平順水流,并在一定程度上避免了水體直沖床面,因而對減少局部沖刷有著非常明顯的效果,對河岸防護和河口治理具有重要的應用價值。根據(jù)梯形丁壩和曲面丁壩周圍局部沖刷的數(shù)模結果,對沖刷完成之后兩種丁壩附近的紊流狀態(tài)作了分析。沖刷坑形成后,壩體周圍水流主要存在四種流動狀態(tài)。沖刷坑內水流受床面和丁壩的阻擋,會形成大小不一的三維漩渦和環(huán)流,因此沖刷坑內將產生比較大的湍動能與渦量強度,相比之下曲面丁壩較梯形丁壩情形下的湍動能與渦量強度要小。
[Abstract]:Spur dike is a kind of common hydraulic structure, which is widely used in river bank protection and estuary regulation. It can change the structure of river flow, wash deep river bed, but also weaken the nearshore flow, so that the embankment can not be scoured. However, due to the strong three-dimensional turbulent characteristics of the flow around the spur dike, the local bed surface of the corresponding dam head will inevitably produce scour pits, which will lead to the water destruction of the spur dike if serious. In this paper, a new type of spur dike structure, the normal curved spur dike, is proposed, which aims at improving the flow structure near the spur dike with the integral streamlined curved surface on the premise of ensuring the riverbank protection effect, and then reducing the local scour of the dam head. Using the method of mixed modeling of Matlab and Pro/E, a 3D model for simulating the flow and local scour around the spur dike is constructed. The three-dimensional flow around trapezoidal spur dike and curved spur dike is studied by numerical simulation. The distributions of flow field, turbulent kinetic energy, river bed shear stress and vorticity intensity around the two kinds of spur dikes are obtained. Due to its streamlined normal surface design, curved spur dike can improve the flow structure near the dam body, and the maximum velocity of flow in the middle section decreases by 12 parts relative to the trapezoidal spur dike, and the area of large velocity decreases by nearly 80%. The dissipation rates of turbulent kinetic energy and turbulent kinetic energy are 1 / 5 and 2 / 3 of trapezoidal groin, respectively. The vorticity intensity near the bottom of curved spur dike is 13S-1, which is only 60 times that of trapezoidal spur dike. The local scour around trapezoidal spur dike and curved spur dike is simulated by UDF program under Fluent. The corresponding numerical simulation is carried out with sediment scour module of Flow-3d, and the maximum depth of local scour pit under two kinds of spur structures is obtained. It is found that under the same flow rate, the maximum impact depth near the curved spur dike is about 20% less than that near the trapezoidal spur dike, and the scour pit area is also reduced. The results show that the new structure design of curved spur dike can smooth the flow of water, and to some extent avoid the surface of the water body directly punching, so it has a very obvious effect on reducing local scour. It has important application value for river bank protection and estuary regulation. Based on the numerical model results of local scour around trapezoidal spur dike and curved spur dike, the turbulent state near the two groins after scouring is analyzed. After the formation of the scour pit, there are mainly four flow states around the dam body. The flow of water in the scour pit will be blocked by the bed surface and the spur bar, which will form three-dimensional whirlpools and circulations of different sizes. Therefore, there will be relatively large turbulent kinetic energy and vorticity intensity in the scour pit. In contrast, the turbulent kinetic energy and vorticity intensity of curved spur are smaller than those of trapezoidal spur.
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TV863;TV135

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本文編號：2404137