【摘要】：為了研究非淹沒丁壩局部沖刷問題,分析丁壩周圍流場的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)馬蹄渦間存在強(qiáng)弱對比和壩頭處橫向流速占優(yōu)的現(xiàn)象,提出以5個馬蹄渦組成的渦系為主體的流動簡化模型,建立丁壩局部沖刷問題的計算模型.計算模型通過考慮垂向流速影響,修正平板繞流解析解,得到適合三維流動的流量計算公式;基于水流連續(xù)性和沖刷平衡條件,建立正挑矩形丁壩在清水均勻沙床面情況下最大相對沖深與相對壩長的1/2次方和無量綱流速的1次方的半理論關(guān)系,并由現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定未知參數(shù)值.運(yùn)用半理論公式得到的計算值與實(shí)測數(shù)據(jù)符合良好,表明流動簡化和計算模型合理.
【圖文】：

沒丁壩周圍流動情況作為研究對象：正挑矩形丁壩位于矩形槽內(nèi)，槽底鋪設(shè)均勻沙，遠(yuǎn)處行進(jìn)水流平均流速Ｕ，且Ｕ小于槽底泥沙的起動流速（見圖１）．行進(jìn)水流遇到丁壩后，，流動主要分為２個趨勢，表層流體上涌繞過丁壩向下游流動，另一部分流體向下運(yùn)動形成馬蹄渦系．流動造成壩頭處形成較大沖刷坑（見圖２）．本文采用統(tǒng)一坐標(biāo)系，行進(jìn)水流方向?yàn)椋纯v向；丁壩壩根指向壩頭方向?yàn)椋礄M向；按照右手螺旋確定ｚ垂直向上；取未沖刷床面、丁壩及與丁壩相交的側(cè)壁面三平面的交圖１物理模型Ｆｉｇ．１Ｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌ圖２馬蹄渦系［２］Ｆｉｇ．２Ｈｏｒｓｅｓｈｏｅｖｏｒｔｉｃｅｓｓｙｓｔｅｍ［２］點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)．２馬蹄渦系１９６２年，Ｓｃｈｉｗｉｎｄ采用煙氣法首先研究了層流情況下位于水平底面上的楔形物前的馬蹄渦系隨雷諾數(shù)的變化．隨后，Ｋｗａｎ等［１－３，１３－１４］采用各種流動顯示方法進(jìn)一步加大加深了對馬蹄渦系的探究：從層流擴(kuò)展到紊流，從楔形物擴(kuò)展到圓柱、方體，障礙物從設(shè)置在正中間擴(kuò)展到位于側(cè)壁，裝置底部由水平面擴(kuò)展到存在沖刷坑．這一系列的研究結(jié)果可以歸納出與本文有關(guān)的幾點(diǎn)：ａ）在層流情況下，隨著雷諾數(shù)Ｒｅ的增大，主渦個數(shù)增加，但目前最多發(fā)現(xiàn)為３個，Ｒｅ數(shù)再增大時，主渦間會出現(xiàn)自我合并；ｂ）在紊流情況下，床面附近主渦為１～３個，但在沖刷過程中隨沖刷坑的增大，主渦數(shù)量減少；ｃ）當(dāng)只有２個主渦時，Ｎ２明顯弱于Ｎ１（離障礙物最近的主渦編號為１，向上游側(cè)主渦編號逐漸增大），而當(dāng)有３個渦時，Ｎ３明顯弱于

內(nèi)，槽底鋪設(shè)均勻沙，遠(yuǎn)處行進(jìn)水流平均流速Ｕ，且Ｕ小于槽底泥沙的起動流速（見圖１）．行進(jìn)水流遇到丁壩后，流動主要分為２個趨勢，表層流體上涌繞過丁壩向下游流動，另一部分流體向下運(yùn)動形成馬蹄渦系．流動造成壩頭處形成較大沖刷坑（見圖２）．本文采用統(tǒng)一坐標(biāo)系，行進(jìn)水流方向?yàn)椋�，即縱向；丁壩壩根指向壩頭方向?yàn)椋�，即橫向；按照右手螺旋確定ｚ垂直向上；取未沖刷床面、丁壩及與丁壩相交的側(cè)壁面三平面的交圖１物理模型Ｆｉｇ．１Ｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌ圖２馬蹄渦系［２］Ｆｉｇ．２Ｈｏｒｓｅｓｈｏｅｖｏｒｔｉｃｅｓｓｙｓｔｅｍ［２］點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)．２馬蹄渦系１９６２年，Ｓｃｈｉｗｉｎｄ采用煙氣法首先研究了層流情況下位于水平底面上的楔形物前的馬蹄渦系隨雷諾數(shù)的變化．隨后，Ｋｗａｎ等［１－３，１３－１４］采用各種流動顯示方法進(jìn)一步加大加深了對馬蹄渦系的探究：從層流擴(kuò)展到紊流，從楔形物擴(kuò)展到圓柱、方體，障礙物從設(shè)置在正中間擴(kuò)展到位于側(cè)壁，裝置底部由水平面擴(kuò)展到存在沖刷坑．這一系列的研究結(jié)果可以歸納出與本文有關(guān)的幾點(diǎn)：ａ）在層流情況下，隨著雷諾數(shù)Ｒｅ的增大，主渦個數(shù)增加，但目前最多發(fā)現(xiàn)為３個，Ｒｅ數(shù)再增大時，主渦間會出現(xiàn)自我合并；ｂ）在紊流情況下，床面附近主渦為１～３個，但在沖刷過程中隨沖刷坑的增大，主渦數(shù)量減少；ｃ）當(dāng)只有２個主渦時，Ｎ２明顯弱于Ｎ１（離障礙物最近的主渦編號為１，向上游側(cè)主渦編號逐漸增大），而當(dāng)有３個渦時，Ｎ３明顯弱于Ｎ１和Ｎ２，即存在明顯的強(qiáng)弱之分．馬蹄渦是
【作者單位】： 浙江大學(xué)港口海岸與近海工程研究所;
【基金】：國家自然科學(xué)基金重大研究計劃資助項(xiàng)目(91647209) 國家重點(diǎn)研發(fā)計劃資助項(xiàng)目(2016YFC0402305-02)
【分類號】：TV863

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本文編號：2552853