（流体力学专业论文）复杂流动下泥沙起动机理的研究.pdf

复杂流动下泥沙起动机理的研究 摘要 泥沙起动是泥沙运动理论中最基本的问题之一，也是研究泥沙输运及局部冲 刷时必需解决的问题。长期以来，人们在泥沙起动方面做了大量研究，但这些工 作主要是针对槽道流动进行的。本文以后台阶下游床面泥沙起动问题为对象，研 究了复杂流动下泥沙的起动机理。 进行了低湍流水洞物理模型试验，研究了三种不同工况下的瞬态流场结构。 根据p i v 的测量结果给出了后台阶下游流场演化过程，通过对试验数据的统计平 均分析，得到了再附点的位置、平均速度场及均方根速度场。 采用大涡模拟数值方法对后台阶流的瞬时流场进行数值模拟研究。数值模拟 和实验结果符合较好。实验和计算结果表明，在再附点附近平均流速虽然很低， 但是脉动速度比较大。在回流区，随着距台阶距离的增大，压强梯度将增大。再 附点处压强梯度达到最大值，然后迅速减小，在再附点下游变化不大。 为定量研究泥沙起动问题，本文提出一种泥沙起动概率的图像测量方法，分 别测量槽道流动和后台阶流动下泥沙的起动概率。由槽道流动的测量结果可知摩 阻流速越大，泥沙起动概率越大，摩阻流速的大小是诱发泥沙起动的最主要的因 素。而在后台阶流动中，泥沙起动概率最大的位置在平均摩阻流速为o 的再附点 处，这是由于再附区复杂的流动所引起，为了证实这一点，本文观测记录了不同 工况条件下后台阶下游泥沙床面冲刷演化过程，得到冲刷最厉害的位置和泥沙起 动概率最大的位置是致的，都处于再附点附近。 研究了复杂流动下，渗流对泥沙起动的影响。发现有渗流作用比无渗流条件 下的泥沙起动概率要高出5 0 。 关键词：后台阶流动：大涡模拟；泥沙起动；局部冲刷 i i 硕i j 学位论文 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s tb a s i cp r o b l e m si nt h es e d i m e n t t r a n s p o r tt h e o r y , t h e m e c h a n i s mo ft h es e d i m e n ti n c i p i e n c ei sa l s on e e d e dt ob eu n d e r s t o o df o rt h es t u d yo f l o c a ls c o u r i n gp r o c e s s c r i t i c a li n c i p i e n tc o n d i t i o n sf o rs e d i m e n tm o t i o nh a v eb e e n s t u d i e de x t e n s i v e l yi nt h ep a s ty e a r s w h i l et h o s ew o r k sa r em a i n l yf o c u s e do nt h e c h a n n e lf l o w s t h es e d i m e n ti n c i p i e n c ed o w n s t r e a mo ft h eb a c k w a r d - f a c i n gs t e pf l o w i sc h o s e nt os t u d yt h es e d i m e n ti n c i p i e n tm e c h a n i s mu n d e rc o m p l e xf l o wi nt h i sp a p e r as e r i e so f e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e di nt h el o w t u r b u l e n c et u n n e la n dt h ef l o w s t r u c t u r e su n d e rt h r e ed i f f e r e n tc o n d i t i o n sw e r es t u d i e d t h ee v o l u t i o no ft h ef l o wf i e l d d o w n s t r e a mo ft h eb a c k w a r d f a c i n gs t e pi so b t a i n e db yt h ep i vm e a s u r e m e n t t h e l o c a t i o no fr e a t t a c h m e n t p o i n t ，m e a nv e l o c i t yp r o f i l ea n dt h er o o t m e a n s q u a r e f l u c t u a n tv e l o c i t yw e r ep r e s e n t e db yt h es t a t i s t i c a la n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ei n s t a n t a n e o u sf l o wf i e l d sd o w n s t r e a mt h eb a c k w a r d f a c i n gs t e pw e r es t u d i e d n u m e r i c a l l yb yt h el a r g e e d d ys i m u l a t i o nm e t h o d t h es i m u l a t e dr e s u l t sa g r e ew e l l w i t ht h e e x p e r i m e n t ，w h i c hs h o w s t h el o w e rm e a n v e l o c i t y a n dt h e h i g h e r r o o t - m e a n - s q u a r ef l u c t u a n tv e l o c i t yn e a rt h er e a t t a c h m e n tp o i n t i nt h er e c i r c u l a t i o n z o n e ，w i t hi n c r e a s i n gd i s t a n c ef r o mt h es t e p ，t h ep r e s s u r eg r a d i e n ti n c r e a s e s t h e m a x i m u mv a l u eo ft h ep r e s s u r eg r a d i e n to c c u r sa tt h er e a t t a c h m e n t p o i n t t h ep r e s s u r e g r a d i e n td o w n s t r e a mo fr e a t t a c h m e n tp o i n ta l m o s tb e c o m e sac o n s t a n t ，w h i c hi sm u c h l o w e rt h a nt h a ta tt h er e a t t a c h m e n tp o i n t a ni m a g ep r o c e s sm e t h o dw a sp r e s e n t e dt om e a s u r et h ep r o b a b i l i t yo fs e d i m e n t i n c i p i e n c eq u a n t i t a t i v e l y t h es e d i m e n ti n c i p i e n tp r o b a b i l i t yu n d e rt h ec h a n n e lf l o w s a n dt h eb a c k w a r d f a c i n gs t e pf l o w sa r em e a s u r e d t h em e a s u r e m e n to fs e d i m e n t i n c i p i e n c eu n d e rt h ec h a n n e lf l o ws h o w st h a tf r i c t i o nv e l o c i t yi st h em o s ti m p o r t a n t m e c h a n i s mc o n t r i b u t e dt ot h es e d i m e n ti n c i p i e n c ea n dt h ep r o b a b i l i t yo fs e d i m e n t i n c i p i e n c ei n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gf r i c t i o nv e l o c i t y f o rt h eb a c k w a r d f a c i n gs t e p f l o w s ，t h el a r g e s ts e d i m e n ti n c i p i e n tp r o b a b i l i t yo c c u r sa tt h er e a t t a c h m e n tp o i n t ， w h e r et h em e a nf r i c t i o nv e l o c i t yi sz e r o i nt h i sp a p e r , as e r i e so fe x p e r i m e n ta b o u tt h e e v o l u t i o no fs e d i m e n tb e di nt h eb a c k w a r d - f a c i n gs t e pf o w sw e r ec o n d u c t e di no r d e r t oc o n f i r mt h ee f f e c t so fc o m p l e xf l o w so ns e d i m e n ti n c i p i e n c e b o t ht h em o s ts e r i o u s e r o s i o na n dt h el a r g e s tp r o b a b i l i t yo fs e d i m e n ti n c i p i e n c eo c c u ra tt h el o c a t i o nn e a rt h e r e a t t a c h m e n tp o i n t t h ee f f e c t so ft h es e e p a g eo nt h es e d i m e n ti n c i p i e n c eu n d e r c o m p l e xf l o w sa r ea l s o i i i 复杂流动下泥沙起动机理的研究 s t u d i e d i ti sf o u n dt h a tt h ep r o b a b i l i t yo ft h es e d i m e n ti n c i p i e n c ew i t hc o n s i d e r i n gt h e s e e p a g ei s5 0 h i g h e rt h a nt h a tw i t h o u tc o n s i d e r i n gt h es e e p a g e k e yw o r d s ：b a c k w a r d - f a c i n gs t e pf l o w ；l a r g e - e d d ys i m u l a t i o n ；s e d i m e n ti n c i p i e n c e ； l o c a ls c o u r i v 复杂流动下泥沙起动机理的研究 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 11 图2 12 图2 1 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图 图 图 图 插图索引 后台阶流速测量示意图1l 两次迭代过程示意图1 2 变形窗口示意图13 流速向量的修正14 后台阶下游壁面压强测量示意图( m m ) 1 4 台阶下游垂直断面瞬时流速场1 8 再附点附近平均流向速度和瞬时流向速度垂直剖面r e - 5 0 0 0 1 8 台阶下游水平断面瞬时流速场1 9 台阶下游流向平均速度剖面图2 l 台阶下游流向湍流强度剖面图2 2 台阶下游垂向湍流强度剖面图2 3 台阶下游平均压力系数分布r e = 6 6 0 0 0 一2 4 台阶下游脉动压力系数分布r e = 6 6 0 0 0 2 4 后台阶模型及网格划分2 8 后台阶下游平均流场矢量图r e = 5 0 0 0 3 l 后台阶下游平均速度剖面图r e = 5 0 0 0 3 2 后台阶下游流场湍流强度剖面图r e = 5 0 0 0 3 3 后台阶下游平均压力系数图r e = 5 0 0 0 3 4 后台阶下游平均剪应力分布r e = 5 0 0 0 一3 4 瞬时速度分布图r e = 5 0 0 0 3 5 垂向截面涡量分布图r e = 5 0 0 0 3 6 展向截面涡量分布图r e = 5 0 0 0 3 8 图3 1 0 层流入口速度剖面比较图r e = 5 0 0 0 3 9 图3 1 1 湍流入口速度剖面比较图r e = 5 0 0 0 3 9 图3 1 2 不同湍流度速度剖面比较图r e = 5 0 0 0 4 0 图4 1测量后台阶下游床面演化装置示意图4 1 图4 2 边界条件示意图4 2 图4 3 泥沙孔隙率4 3 图4 4 后台阶下游泥沙床面演化过程4 4 图4 5 后台阶下游泥沙床面冲刷坑流场云图和矢量图4 5 图4 6 后台阶下游不同时刻冲刷平均压力系数的对比图4 6 图4 7后台阶下游不同时刻冲刷平均剪应力的对比图4 6 v i i l 硕卜学位论文 图4 8后台阶下游泥沙冲刷程度随时间变化4 6 图4 9 泥沙起动测量示意图4 7 图4 1 0 泥沙起动测量灰度图4 8 图4 1 1 槽道流动下泥沙起动概率5 0 图4 1 2 后台阶下游泥沙起动概率测量示意图5 l 图4 1 3 后台阶下游泥沙起动概率图5 2 图4 1 4 沙颗粒受力示意图一5 3 图4 1 5 泥沙起动装置模型示意图5 4 图4 1 6 后台阶下游床面摩阻流速大于a o 的概率分布图一5 7 图4 1 7 床面水平方向水力梯度概率密度函数图5 8 图4 1 8 后台阶下游泥沙起动概率分布图5 9 复杂流动下泥沙起动机理的研究 附表索引 表3 1 通用方程( 3 2 1 ) 中各符号代表的物理量2 9 表3 2l e s 计算工况信息表3 8 表4 1 后台阶下游泥沙冲刷实验工况表4 2 表4 2 槽道流动下泥沙起动概率测量工况表4 9 表4 3 后台阶流动下泥沙起动概率测量工况表5 1 x 硕士学位论文 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者繇叩风秘 日期：呷年歹月f 岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：泖弱狙 导师签名：功者落 日期：) 的尹年5 月，多日 期：硼iel年厂月日 期： 卿年厂月j 日 ， 一 硕 ：学位论文 1 1 课题研究背景及目的 第1 章绪论 随着社会经济的发展，人类在河口、海岸及近海地区活动频繁，为便利交通 而架设桥梁、建造港口和过江隧道；为防洪御潮而修筑海堤和护岸丁坝；为输送 油气资源而铺设过江管道；为通讯、输电而铺设水底光缆、电缆。上述水上或水 下结构物一旦遭遇损坏，会给人们的生活带来不便，对社会经济的发展产生极大 的影响。导致这些结构物毁坏的原因很多，而局部冲刷是主要原因之一。例如， 在我国，1 9 5 6 年郑州黄河老桥在一次洪峰后，7 号桥墩周围冲刷深达8 m ：又一次 大洪峰，11 号墩桥墩周围冲刷深达14 m ，致使该墩向下游倾斜。1 9 5 8 年黄河特大 洪水将郑州黄河大桥桥墩冲毁：1 9 6 3 年河北省特大暴雨洪水冲毁桥梁2 0 9 座；2 0 0 2 年西安灞河爆发洪水，冲垮桥墩5 座。在19 6 l 19 7 6 年美国约有4 6 座桥梁毁坏 事件是局部冲刷所引起【l 2 】；在最近的几年内，仍有大量桥梁由于洪水引起的局部 冲刷而受到严重的损坏或倒塌( 3 - 5 1 ；k a n d a s a m y 和m e l v i l l e ( 1 9 9 8 ) 研究表明：新西兰 b o l a 飓风造成的1 0 座桥梁破坏中有6 座与桥墩冲刷有关。m a c k y ( 1 9 9 0 ) 提交给新 西兰科学与工业研究部( d s i r ) 的研究报告中指出：d s i r 用于桥梁修缮与维护的费 用约占其总开支经费的5 0 ，其中用于桥墩局部冲刷修缮的费用占到了7 0 1 6 】。 2 0 0 0 年国际土力学会议报导，在美国由于桥梁地基冲蚀导致毁坏的桥梁占毁坏总 数的6 0 【7 1 。又如，海底管线事故大多是管线铺设处的局部冲刷造成的，这种局 部冲刷改变周围水流型态，导致尾涡甚至涡激振动现象的发生，引起管道破裂和 线路中断。因此研究局部冲刷以便对结构物附近的最大冲刷深度进行精确预报， 为工程安全设计提供科学依据，具有十分重要的意义。水流在结构物的阻碍作用 下，其流场结构发生急剧变化产生流动分离，结构物附近局部河床泥沙在复杂流 动作用下冲刷，并被涡漩流带向下游，局部河床因此受到侵蚀而下降，形成局部 冲刷坑。而局部冲刷实质上是床面泥沙从起动、不平衡输移再发展到平衡的产物。 冲刷过程始于泥沙起动，泥沙从局部侵蚀外移的数量大于上游来沙量时，就发生 局部冲刷。当冲刷停止时，断面各处泥沙应处于临界起动状态。因此解决复杂流 动下泥沙的起动机理是研究局部冲刷问题的关键。 泥沙起动问题具有重要的实际意义，长期以来工程界和学术界对此极为关注。 传统冲刷理论主要以床面平均剪应力作为泥沙起动及冲刷水动力因素，但结构物 附近的流动包括流动的分离、旋涡的生成和脱落、旋涡之间以及旋涡与固壁的相 互作用等复杂流动因素，传统冲刷理论不能反映诸多复杂动力因素的影响，因此 需要进一步探索复杂流动情况下泥沙起动及冲刷的水动力机制。 复杂流动下泥沙起动机理的研究 1 2 研究状况 本文以后台阶流动下的泥沙起动及床面冲刷作为研究对象来探索复杂流动下 的泥沙起动机理，工作主要涉及到后台阶复杂流动、d p t v 测速技术、泥沙起动三 方面研究内容。下面对这三方面的研究状况分别进行论述。 1 2 1 后台阶复杂流动及研究方法 后台阶流动几何形状比较简单，但该流动包含了流动分离、再附、湍流及旋 涡运动等三维复杂流动的特征，在复杂流动的研究中占有重要的地位，在工程实 践中也具有相当广泛的应用。如燃烧工程、高层建筑物周围风场以及微电子线路 板的强制换热等现象中都会遇到后台阶流动。因此，本文采用后台阶流作为流动 模型来研究复杂流动条件下泥沙的起动及冲刷机制问题。关于后台阶流场平均特 性，前人进行了大量的研究。k u e h n ( 1 9 8 0 ) 8 1 、d u r s t ( 1 9 8 1 ) 1 9 1 、r a ( 1 9 9 0 ) 1 0 】y t c h e r t ( 2 0 0 6 ) 等研究了扩展比职= 俾+ d ) 日( 日：上游水深；d ：后台阶高度) 对再附点 位置x ，的影响，发现随着觥的增加彳，有所增大。a r m a l y 等( 19 8 3 ) d 2 采用l d v 技术对后台阶流动做了大量的实验研究，详细量测了后台阶流动从层流、过渡流 到湍流演变过程中再附长度值，得到了大量可供比较的实验结果，并进行了二维 数值模拟。根据实验及计算结果，他发现当r e 1 2 0 0 ，流动为层流，z 随着r e 的 增大而增大；当1 2 0 0 r e 6 6 0 0 ，流动由层流向湍流转变，进入过渡流状态，z 随 着r e 的增大而减小；在r e = 6 6 0 0 左右，z 达到最小值；当r e 继续增大，流动进入 湍流状态，z 开始有所增大，然后基本保持不变。i s o m o t o 等( 1 9 8 9 ) 副研究了来流 湍流度对再附点位置的影响，发现随着来流湍流度的增加，x ，将减小。 e a t o n ( 1 9 8 0 - 1 9 9 3 ) 【1 4 】等人对单相和两相后台阶突扩流动进行了大量的实验研究， 旨在弄清不同流动形态下，后台阶流动的分离机制和流场结构以及两相之间湍流 调制规律。m a k o t o ( 1 9 9 3 ) 【1 5 】等人同时进行了实验和数值研究，研究了回流区特征、 结构以及后台阶高度对再附长度的影响。j o v i c 等( 1 9 9 4 ，1 9 9 5 ) 1 6 1 7 】在风洞中采用 热线技术对后台阶下游流场的平均速度、湍流强度、雷诺应力进行了测量，然后 又采用激光油流干涉技术( l a s e r o i lf l o wi n t e r f e r o m e t r yt e c h n i q u e ) 澳0 量了床面平 均剪应力。根据测量结果发现：床面平均剪应力的绝对值在再附点附近最低，几 乎为零。在0 6 x 和2 5 置处出现两个峰值。, 近年来，随着计算机技术的发展，人们开始应用直接数值模拟( d n s ) 和大 涡模拟( l e s ) 来模拟湍流流动。直接数值模拟不用任何湍流模型，要求模拟所有 尺度的湍流脉动。在没有任何补充方程的情况下，直接数值求解完整的n - s 方程， 计