【摘要】：天然河流多為復式河槽,其斷面由灘地和主槽兩部分構(gòu)成�？菟竟�(jié)水流主要在主槽內(nèi)流動,洪水季節(jié)時水流漫過灘地形成漫灘水流,灘槽水體間的相互作用及動量交換使斷面流速分布及床面剪切應力發(fā)生變化,此時若直接采用曼寧公式計算過流能力則會產(chǎn)生極大誤差。灘槽水體間的相互作用使主槽行洪能力降低,灘地行洪能力增加,水流條件復雜,對防洪工程的安全產(chǎn)生較大影響,故研究復式河槽的水力特性具有重要意義。本文采用雷諾應力模型對不同斷面形態(tài)復式河槽的水流特性進行數(shù)值模擬,通過分析曼寧公式中流量與水深的函數(shù)特性及數(shù)值模擬結(jié)果,對曼寧公式計算復式河槽水位流量關(guān)系時產(chǎn)生的誤差及漫灘時出現(xiàn)流量隨水深增加而減小的反常現(xiàn)象進行了討論,以英國科學與工程研究理事會洪水水槽設備(SERC-FCF)的試驗資料為驗證依據(jù),總結(jié)了目前常用的12種計算復式河槽過流能力的方法,并分析了灘地寬度、主槽邊坡系數(shù)及水深等因素對上述方法計算精度的影響,最后對比了上述方法在不同斷面形態(tài)河槽中的精度,選擇出適用范圍廣、精度高、計算簡便的最優(yōu)方法。論文主要得出了以下結(jié)論:(1)水流漫灘后,在灘槽交界處會產(chǎn)生一對運動方向相反的主槽渦和灘地渦,兩渦的運動強度將隨水深的增加而增大,此外主槽邊坡越陡,二次流的強度越大,并在主槽壁面底部形成了一個與主槽渦運動相反的小漩渦,增大了水流對主槽邊坡及河床的沖刷;灘地寬度越小,二次流對灘地流速分布的影響越大。(2)各槽在主槽區(qū)的流速等值線較為均一,最大流速均在自由水面,靠近主槽邊壁時,底部流速等值線逐漸向自由水面彎曲,并在灘槽交界處斜向凸起于主槽水面,隨著水深增大,其影響范圍逐漸擴大至自由水面,且運動方向與該位置處的二次流一致,最大流速位于水面以下,且主槽邊坡越陡,等值線的彎曲度越大;灘地寬度越小,各槽在灘地區(qū)的主流等值線越不均勻。(3)由橫向運動強度、縱向流速及垂線平均流速的分布可知,主槽區(qū)和灘地區(qū)的水流受動量交換影響較小,灘槽交界處的水流受其影響較大。(4)對于任一河槽,主槽區(qū)的床面剪應力大于灘地區(qū),隨著水深的增大,灘槽間的剪應力差逐漸縮小,且主槽邊坡越陡,主槽區(qū)的剪應力分布越均勻,灘地寬度越小,灘地區(qū)的剪應力分布越不均勻。(5)河槽斷面的濕周與水力半徑滿足不等式△R/R+0.6(△χ/χy(1+△χ/χ)0時,曼寧公式中的流量-水深函數(shù)單調(diào)遞減,水位流量關(guān)系曲線會出現(xiàn)流量隨水深增加而減小的不合理現(xiàn)象。水流剛漫灘時,灘槽水體的流速差使水流產(chǎn)生橫向運動,在灘槽交界處形成二次流,曼寧公式是基于均勻流條件的經(jīng)驗公式,故水流剛漫灘時的計算結(jié)果較實際偏小且誤差最大;隨著水深的逐漸增大,灘槽間的動量交換強度也隨之增強,灘槽水體的流速差逐漸減小,水體趨于均勻流,其計算誤差逐漸減小。(6)水深是影響上述方法計算精度的主要因素,灘地寬度次之,主槽邊坡系數(shù)最小;CES法與協(xié)同度法的精度僅受水深的影響,其他方法除受水深影響之外還與斷面形態(tài)有關(guān)。(7)不管水流是否漫灘,與其他方法相比,CES法的精度相對較高,操作簡便,能準確快速地計算斷面水位流量關(guān)系,而且其精度不會受斷面形態(tài)的影響,能夠在實際中得到廣泛應用,因此在計算復式河槽過流能力時本文推薦采用CES法。
【學位授予單位】：西安理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TV133
【圖文】：

平原河流河谷形態(tài)

2圖 1-2 城市景觀復式河道Fig1-2 Urban landscape channel1.2 國內(nèi)外研究進展復式河槽的水流漫灘后，主槽水流在向下游宣泄的同時又向兩邊灘地進行漫流，使得兩邊水體的水力要素發(fā)生巨大差異，圖 1-3（a）、（b）分別為復式河槽水流在漫灘前與漫灘后的水流結(jié)構(gòu)。水流漫灘前，其橫向垂線平均流速除邊壁外分布均勻，不存在橫向的動量交換，水流結(jié)構(gòu)較為簡單；水流漫灘后，灘槽間的水體相互作用并在其交界面上發(fā)生動量交換和能量交換，從而導致斷面的流速分布及剪應力分布在灘槽交界處發(fā)生突變，并

（a）漫灘前 （b）漫灘后【3】圖 1-3 復式河槽在漫灘前與漫灘后的水流結(jié)構(gòu)Fig1-3 Flow structure of compound channel before and after overbank最早從事復式河槽水流特性研究工作的前蘇聯(lián)學者熱烈茲拿柯夫，在試驗中發(fā)現(xiàn)水流漫灘后，主槽過流能力降低，并將此現(xiàn)象解釋為灘槽水流相互作用后產(chǎn)生的運動效應[4]。自此以后，國內(nèi)外研究者們通過水槽試驗及數(shù)值模擬對復式河槽的水流特性進行了大量研究，并取得了重大研究成果。其主要研究工作包括垂線平均流速及剪應力的橫向分布、水流阻力特性、二次流以及過流能力計算等。1.2.1 垂線平均流速橫向分布垂線平均流速分布是復式河槽水流特性的基本水力要素，對研究河床演變及污染物的輸移擴散具有重要作用。龐炳東[5]通過實測復式斷面的洪水資料發(fā)現(xiàn)，灘槽交界附近處的水深發(fā)生急劇變化，導致流速分布發(fā)生不均勻突變，而隨著水深增大，灘槽間的流速梯度逐漸減小，流速分布又趨于均勻。吉祖穩(wěn)[6]根據(jù)漫灘水流的特點將復式河槽劃分為灘地平衡區(qū)、灘槽交互區(qū)、主槽平衡區(qū)及邊壁區(qū)，其中灘地平衡區(qū)和主槽平衡區(qū)受灘槽動量交

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本文編號：2743878