（水力学及河流动力学专业论文）复式河槽水沙运动数值模拟.pdf

四川大学硕士学位论文摘要 复式河槽水沙运动数值模拟 水力学及河流动力学专业 研究生石荣荣指导教师刘兴年 摘要 天然河流中，许多河道都是具有深槽和滩地的复式河槽。在枯水 期，流量小，水流多在主槽内流动，而洪水期水流溢出主槽，漫溢滩 地，形成复式河槽流动。随着国家经济的发展和人口增长，越来越多 的滩地被利用，滩地以及相关堤岸的防洪安全问题引起了社会越来越 多的关注。复式河槽水流是一个复杂流体力学问题，其研究成果对于 河道整治工程和防洪规划工程有着重要的意义。 本文首先回顾了国内外学者的关于复式河槽水流特性的研究成 果，包括复式河槽的水流机理，水流阻力，主滩槽流量比，流速及床 面剪切力横向分布。然后简要介绍了目前计算复式河槽的一维和二维 计算方法。 本文主要采用了数值模拟的研究方法，对复式河槽水流进行了计 算，并计算了断面推移质输沙率。一维、二维、三维数值模拟各有优 缺点，因此对复式河槽进行了一维、二维、三维数值模拟。一维采用 了h e c r a s 软件和专门计算漫滩水流的c o h m ( t h ec o h e r e n c e m e t h o d ) 程序。二维用m i k e2 1 c 商业软件和s k m ( t h es h i o n oa n d k n i g h t m e t h o d ) 程序。三维使用雷诺应力模型( r s m ) 计算一，二、 三维模拟结果均与实测结果进行比较，h e c r a s 由于没有考虑滩槽动 量交换，计算的边滩流速偏小，c o h m 能够较好的计算复式河槽水位 流量关系；m i k e2 1 c 和s k m 较好的模拟了断面横向流速分布；r s m 四川大学硕士学位论文复式河槽水沙运动数值模拟 计算的滩槽交界附近的二次流、主流速分布和床面剪切力与试验结果 一致。随后用一二维模型计算了不同水深下的断面垂线平均流速横向 分布，应用三维模型r s m 研究不同水深下的断面流速及滩槽床面剪切 力分布。最后用二维s k m 计算的断面垂线平均流速加上沙奠夫推移质 输沙率公式计算断面推移质输沙率，并应用于长江宜昌站的推移质输 沙率计算，其结果虽与实测值有一定差异，但要优于一维的计算结果。 关键词；复式河槽一维模型二维模型三维模型水位流量关系 断面横向流速分布二次流推移质输沙率 n 四川大学硕士学位论文 a b s t r a c t i m u m e r i c a lm o d e lo ff l o wa n ds e d i m e n tt r a n s p o r t i nc o m p o u n dc h a n n e l m a j o r ：h y d r a u l i c sa n dr i v e rd y n a m i c s c a n d i d a t e ：s h ir o n g r o n g s u p e r v i s o r ：l i ux i n g n i a n a b s t r a c t i nn a t u r e ，m o s to ft h er i v e rr e a c h e st e n dt ob ec o m p o u n dc h a n n e l s ， w h i c ha r ec o m p o s e do fm a i nc h a n n e la n do n eo rt w of l o o d p l a i n s i nl o w w a t e rp e r i o d ，t h em a i nc h a n n e lc a r r i e sw a t e ri nl o w - w a t e rs e a s o n a n d t h e r ei sc o m p o u n dc h a n n e la b o v eb a n k f u l ls t a g e si nh i g hw a t e rp e r i o d n o w , m o r ea n dm o r ef l o o d p l a i n sa r eu t i l i z e df o rt h ed e v e l o p m e n to fs t a t e e c o n o m ya n di n c r e a s ei np o p u l a t i o n ，s oc o m p o u d c h a n n e l sa n dd i k es a f e t y h a v er e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n t h es t u d yo ff l o ww i t h i nc o m p o u d c h a n n e l si sc o m p l e x ，a n di ti si m p o r t a n tf o rr i v e rr e g u l a t i o nw o r k sa n d f l o o dc o n t r o lp r o j e c t f i r s t ，ag e n e r a lr e v i e wo fc o m p o u n dc h a n n e lh y d r a u l i c sh a sb e e n g i v e ni nt h ef o l l o w i n gp o i n t s ：f l o wm e c h a n i s m s ，f l o wr e s i s t a n c e ，d i v i s i o n o ff l o wb e t w e e nm a i nr i v e ra n df l o o d p l a i n s ，l a t e r a ld i s t r i b u t i o no f v e l o c i t y a n dl a t e r a ld i s t r i b u t i o no fb o u n d a r ys h e a rs t r e s s t h e na o v e r v i e wo f1 - da n d2 - dc o m p u t a t i o n a lm e t h o d sf o ro v e r b a n kf l o wh a s b e e nd o n e n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sa d o p t e dt os t u d yt h ef l o wo fc o m p o u n d s e c t i o n s ，a n dh a sb e e nu s e df o rc a l c u l a t i n gb e d l o a ds e d i m e n tt r a n s p o r t 1 i l 四川大学硕七学位论文复式河槽水涉运动数值模拟 c i n e - d i m e n s i o n a lm o d e l s ，t w o - d i m e n s i o n a lm o d e l sa n dt h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e l sh a v ed i f f e r e n ts a d v a n t a g e s ，s ot h e ya r ea l lu s e di nt h i sp a p e rf o r o n e d i m e n s i o n a lm o d e l s ，h e e - r a sa n dt h ec o h e r e n c em e t h o d ( o o h m ) a r e u s e d f o rt w o d i m e n s i o n a lm o d e l s ，m i k e21 ca n dt h es h i o n oa n dk n i g h t m e t h o d ( s k m ) a r eu s e d a n df o rt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l s ，r e y n o l d s s t r e s sm o d e l ( r s m ) i su s e d r e s u l t so ft h en u m e r i c a lm o d e l sa r ec o m p a r e d w i t ht h ep u b l i s h e de x p e r i m e n ta n df i e l dd a t a t h em a i nl i m i t a t i o no f h e c - r a si sa s s o c i a t e dt ot h ea b s e n c eo fm o m e n t u ml a t e r a ld i f f u s i o n w h i c hl o w e r sp r e c i s i o ns p e c i a l l yi nt h ec a l c u l a t e df l o o d p l a i n sv e l o c i t y v a l u e s c o h ma d e q u a t e l yr e p r e s e n t ss t a g e - d i s c h a r g er e l a t i o n m i k e21c a n ds k ma d e q u a t e l yr e p r e s e n t st h el a t e r a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n a n dt h e s e c o n d a r yc u r r e n t s ，t h ep r i m a r ym e a nv e l o c i t ya n db e ds h e a rs t r e s si nt h e j u n c t i o nr e g i o nb e t w e e nt h em a i nc h a n n e la n dt h ef l o o dp l a i ni s w e l l s i m u l a t e db yr s m t h e no n e d i m e n s i o n a lm o d e l sa n dt w o - d i m e n s i o n a l m o d e l sa r eu s e df o rs i m u l a t i n gt h el a t e r a l v e l o c i t y d i s t r i b u t i o no f d i f f e r e n td e p t hc o m p o u n dc h a n n e lf l o w a n dr s mi su s e dt os t u d yt h e e f f e c to ff l o wd e p t ho nt u r b u l e n ts t r u c t u r e f i n a l l y , s k ma n db e d l o a d t r a n s p o r tf o r m u l aa r eu s e df o rc a l c u l a t i n gb e d l o a ds e d i m e n tt r a n s p o r t r a t e t h e nt h ec a l c u l a t i o no fy i e h a n gs t a t i o ni nu p p e ry a n g t z er i v e ra r e d o n e ，t h er e s u l t sa r en o tv e r yw e l lc o m p a r e dw i t hf i e l dd a t a ，b u tb e t t e r t h a n1 d k e yw o r d s ：c o m p o u n dc h a n n e l s ， 1 - dm o d e l s ，2 - dm o d e l s ，3 - d m o d e l ，s t a g e - d i s c h a r g er e l a t i o n ，l a t e r a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ， s e c o n d a r yc u r r e n t s ，b e d l o a ds e d i m e n tt r a n s p o r tr a t e i v 四川大学硕士学位论文图表目录 图表目录 图1 1 天然复式河槽1 图1 2f c f 试验水槽3 图2 1复式顺直河槽水流结构8 图2 2 漫滩水流大尺度垂向涡流结构9 图2 3漫滩水流纵向涡流结构9 图2 4 复式游荡型河道水流特征1 0 图2 5复式游荡型河道水流特征1 1 图2 6 复式游荡型河道扩张和收缩损失i 1 图2 7曼宁系数随水深的变化( f c f 系列a ) 4 2 1 1 3 图2 8 阻力系数f 值随雷诺数变化( f c f0 1 - 0 4 系列试验) 1 4 图2 9 复式河槽的断面形态1 5 图2 1 0 光滑复式河槽q f q f 随水深的变化1 6 图2 1 1几何尺寸、比尺和糙率对q c q f 的影响1 7 图2 1 2 复式河槽流速横向分布( f c f 试验数据0 2 0 5 0 1 ) 1 9 图2 1 3s e v e r n 河m o n t f o r d 桥断面漫滩水流流速横向分布1 9 图2 1 4 复式河槽床面剪切力横向分布( f c f 试验数据0 8 0 5 0 1 ) 2 1 图2 1 5 复式河槽床面剪切力横向分布( f c f 试验数据0 2 0 5 0 1 ) 2 l 图2 1 6 复式断面示意图2 2 图2 1 7 断面叠加法基本假定示意图2 4 图2 1 8等速剖分法示意图2 5 图3 ih e c r a s 界面3 1 图3 2h e c r a s 默认断面分段计算方法示意图3 1 图3 3 可选择的断面分段计算方法示意图3 2 图3 4s e v e r n 河上m o n t f o r d 桥断面图3 3 图3 5s e v e r n 河上m o n t f o r d 桥断面h = 7 8 l m 时垂线平均流速分布h e c r a s 计算值与实测值比较3 3 图3 6f c f 试验水槽示意图3 6 图3 7 复式河槽断面形状和尺寸图3 6 四川大学硕士学位论文 复式河槽水沙运动数值模拟 图3 8 流量修正因子与相对水深关系图3 8 图3 9d l s d e f b f 与相对水深关系图3 9 图3 1 0 粗糙和光滑漫滩流量修正园子( d i s a d f ) 比较。3 9 图3 1 lc o h m 计算流程图4 2 图3 ，1 2c o h m 计算界面4 3 图3 1 3 断面图4 4 图3 1 4c o h m 计算结果图4 5 图3 1 5 正交曲线坐标系统( s ，n ) 中，通量p 和q ，水深h 4 7 图3 1 6f c f 第七组( a 系列) 断面图5 l 图3 1 7 断面流速m i k e 2 1 计算值和实测值比较( f c fa 系列0 7 组h = 0 2 4 9 7 9 m ) 5 l 图3 18计算网格图5 2 图3 1 9中间段计算流场图5 2 图3 2 0 坐标系示意图5 3 图3 2 1 斜坡上微分水体x 方向受力分析图5 5 图3 2 2 不同相对水深下局部摩阻系数f 的横向分布( f c f 第2 、3 组试验数 据) 5 7 图3 2 3漫滩主槽摩阻系数比随相对水深的变化5 8 图3 2 4 不同相对水深下( p o t ) d 及f ( p w ) d 横向分布图( f c f 第2 组) 5 9 图3 2 5s e v e r n 河上m o n t f o r d 桥简化断面图6 1 图3 2 6s e v e r n 河上m o n t f o r d 桥断面h = 7 8 1 m 时垂线平均流速横向分布 s k m 解析解与实测值比较6 2 图3 2 7s k m 计算流程图6 4 图3 2 8s k m 计算界面6 5 图3 2 9s e v e r n 河上m o n t f o r d 桥断面计算界面6 6 图3 3 0s e v e r n 河上m o n t f o r d 桥断面h = 7 8 l m 时垂线平均流速分布s k m 数 值解与实测值比较6 6 图3 3 it o m i n a g a ，a 试验水槽断面形状7 0 图3 3 2模型进口附近三维网格图7 l 图3 3 3 横断面的二次流流速分布7 3 四川大学硕士学位论文 图表目录 i l l 图3 3 4 横断面的主流流速等值线图7 4 图3 3 5 横断面潍槽床面剪切力分布图7 5 图4 1 水位流量关系计算图7 7 图4 2s e v e r n 河上m o n t f o r d 桥断面h = 6 9 2 m 时垂线平均流速分布h e e r a s 计算值与实测值比较一7 8 图4 3s e v e r n 河上m o n t f o r d 桥断面h = 6 1 5 m 时垂线平均流速分布h e e r a s 计算值与实测值比较7 9 图4 4 断面流速h e c r a s 计算值和实测值比较( f c fa 系列0 7 组h = 0 2 4 9 7 9 m ) 7 9 图4 5 断面流速h e c r a s 计算值和实测值比较( f c fa 系列0 7 组h = 0 1 9 9 5 0 m ) 8 0 图4 6 断面流速h e c r a s 计算值和实测值比较( f c fa 系列0 7 组h = 0 1 7 6 5 4 m ) 8 0 图4 7 断面流速h e c r a s 不同划分下计算值和实测值比较( f c fa 系列0 7 组h = 0 1 9 9 5 0 m ) 8 1 图4 8s e v e r n 河上m o n t f o r d 桥断面h = 6 9 2 m 时垂线平均流速分布s k m 数 值解与实测值比较8 2 图4 9s e v e r n 河上m o n t f o r d 桥断面h = 6 1 5 m 时垂线平均流速分布s k m 数 值解与实测值比较8 2 图4 1 0 断面流速s k m 数值解和实测值比较( f c fa 系列0 7 组h = 0 2 4 9 7 9 m ) 8 3 图4 1 1断面流速s k m 数值解和实测值比较( f c fa 系列0 7 组h = o 1 9 9 5 0 m ) 8 3 图4 1 2 断面流速s k m 数值解和实测值比较( f c fa 系列0 7 组h = 0 1 7 6 5 4 m ) 8 4 图4 1 3 不同水深时横断面二次流流速分布图8 5 图4 1 4 不同水深时横断面的主流流速等值线图8 6 图4 1 5 不同水深下横断面潍槽床面剪切力分布8 7 图5 1 推移质计算界面。8 9 图5 2 长江宜昌水文站1 9 7 3 年4 月断面图9 0 四川大学硕士学位论文复式河槽水涉运动数值模拟 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 长江宜昌水文站1 9 7 3 年流量输沙率关系图 长江宜昌水文站1 9 7 3 年流量输沙率关系图 长江宜昌水文站1 9 7 3 年水位输沙率关系图 长江宜昌水文站1 9 7 3 年流量输沙率关系图 ( 直角坐标系) ( 对数坐标系) ( 直角坐标系) ( 对数坐标系) 9 1 9 l 9 2 。9 2 表2 1断面分割法的几种常见类型。2 2 表2 2 断面叠加法部分断面水力要素计算表2 4 四川大学硕士学位论文 t 绪论 i - i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i 薯苗i 宣i i i i i ；i i i i i i i i i i i i i 宣i i 宣i i i i i i i 膏i 宣i i 嗣 1 绪论 1 1 概述 中国的水资源丰富，但是时空变化很大，集中在夏季与东南。夏 季，洪水频繁，威胁人民安全，长江1 9 9 8 年、1 9 9 1 年、1 9 5 4 年、1 9 3 5 年大洪水，松花江1 9 9 8 年特大洪水，黄河1 9 5 8 年、1 9 3 3 年、1 8 4 0 年 特大洪水，淮河1 9 7 5 年特大洪水，海河1 9 6 3 年特大洪水，造成每年 平均损失上千亿美元。黄河下游开封常水位高出市区地面8 m ，一旦洪 水下泄不了，冲溃堤防会造成非常大的损失。而随着国家经济的发展 和人口增长，土地资源越来越珍贵，尤其是在大城市，因而滩地的土 地利用也越来越广泛，潍地以及相关堤岸的肪洪安全问题引起了社会 越来越多的关注。许多国家已经开始限制滩地的过度开发并致力于滩 她的恢复措施的研究，尽量减少洪水导致的生命财产损失。然而减少 潜在的淹没损失以及溃堤风险分析依旧是亟待解决的两个核心问鼷。 图1 1 天然复式河槽 、 许多河道都是具有主槽和滩地( 主河道和漫滩) 的复式河槽( 见 四川大学硕士学位论文 复式河槽水沙运动数值模拟 图1 1 ) 。在枯水期，流量小，水流多在主槽内流动，而洪水期水流溢 出主槽，漫溢滩地，形成复式河槽流动。水流漫滩后，主河道的水流 受漫滩影响，断面过水能力通常会降低。特别是在水流刚漫滩时，断 面形状突变，加上滩地的糙率一般和主槽的有很大不同，因此估算复 式河槽的过水能力变的非常困难。然而复式河道水位流量关系特征决 定了洪水在河道及滩地上能够造成的潜在洪涝灾害损失的范围及大 小。 复式河槽水流是一个复杂流体力学问题，也一直是国际水力学界 讨论的热点课题。其研究成果对于河道整治工程和防洪规划工程确定 断面形态参数、优化断面设计具有参考价值。 1 2 研究问题综述 各国学者都很重视对复式断面洪水的研究。早期的研究可以追溯 到1 9 5 0 年前苏联学者热列兹里亚柯夫的工作。他首次在实验室中发 现，洪水漫滩以后j 主槽过水能力降低，滩地过水能力增加i l l 。在欧 美，7 0 年代开始受到人们的重视，z h e l e z n y a k o v c 首先对复式断面渠道 中的均匀流进行了实验研究，发现在主河道和滩地之间存在一对旋涡 并引起两者之间的动量交换，主河道的动量不断地传给滩地以维持潍 地的流动；但随着水深的增大，这种动量交换的作用逐渐减弱【2 】。 m y e r s d i ，r a j a r a t n a m t 4 i ，k n i g h t t 钉，s t e p h e n s o n t 6 l 和w o r m l e a t o n l 7 l 等， 进一步研究了在复式断面渠道中的流量分配、边界切应力、时均速度 分布以及在河道和滩地之间交界面处的表观切应力。随后，t o m i n a g a s l 和p r i n o s l 9 1 等通过实验进一步探讨了复式断面渠道中的紊动特征、二 次流现象和动量输运机理。在我国，8 0 年代后多名学者对复式河槽进 行研究，谢汉祥根据动量传递理论，考虑了漫滩水流剪应力沿横向的 变化，导得了滩槽垂线平均流速沿横向分布的理论计算式【l0 1 。王树东 u l ，王韦【12 1 ，丁君松 t 3 l ，黄本胜【l4 1 ，周宜林【1 5 l ，刘沛清 t 6 l ，吉祖稳 1 1 7 l 等对复式河槽进一步进行了研究。 2 四川大学硕士学位论文f 绪论 1 2 1 实验研究 水力模型试验是揭示水流运动规律不可或缺的重要手段。国内外 许多学者对复式河槽进行了物理模型试验研究，其中最为突出的是英 国科学工程研究协会洪水水槽设施( s e r c f c f ) 的系列水槽实验i t s l ( 见图1 2 ) 。水槽6 0 m 长，1 0 m 宽，最大流量1 1 m 3 s ，可以设定成多 种顺直、倾斜以及游荡型的定床和动床的复式水槽，试验包括了槽内 流动和漫潍水流，研究漫滩水流特性。1 9 8 7 年至今，主要完成了三个 阶段的试验： 第一阶段：复式顺直河道和复式斜河道( 定床) 第二阶段：复式游荡型河道( 定床) 第三阶段：复式顺直河道和复式游荡型河道( 漫滩是固定边界， 主槽铺均匀和非均匀沙) 在第三阶段，又增加了一个小尺度的水槽试验，水槽长1 8 m ，宽 2 4 6 m ，河床为均匀和非均匀沙。 图i 2f c f 试验水槽 四川大学硕士学位论文复式河槽水沙运动数值模拟 复式河槽水流具有很明显的三维流动特性，因此三维水流测量对 于研究复式河槽水流特性很重要。s h i o n o 和k n i g h t 【i 引在f c f 中，用激 光多普勒测速仪测出复式断面明渠的二次流速和雷诺应力。t o m i n a g e 【8 1 等用则用光导纤维技术对小比尺复式断面明渠的三维紊流进行了测 量，揭示了滩槽水流相互影响的机理。这些实测结果不仅可用于理论 分析，而且为数学模型的验证提供了基础。 1 2 2 理论分析计算 王韦【1 2 j 利用动量传递理论提出了估算过流能力的动量传递法谢 汉祥【1 0 】利用动量传递理论，考虑滩槽相互作用，获得垂线平均流速沿 横向的分布。刘沛清d 6 1 利用动量输运理论，获得了断面平均流速的简 析式，童汉毅 2 0 1 从量纲分析获得滩槽交界面表观切应力的表达式，并 利用w o r m l e a t i o n 等人的资料得到动量输运系数的关系式，最后结合 均匀流公式获得了断面流量的表达式。s h i o n o 和k n i g h t t 2 ，周宜林【”】， 吉祖稳【1 7 j 等分别将沿水流方向的n s 方程沿水深积分取平均值，并 分别根据一定的假定，提出了各自的方法。许唯临1 2 ”，从s h i o n o 和 k n i g h t 的s k m 方法，将二次流项归入雷诺应力项，并将主槽与滩地分 布曲线直接相接，推出一套不需要联立求解系数方程组的漫滩水流垂 线平均流速横向分布的计算公式，进而获得整个复式断面的过流能力。 w o r m l e a t i o n 7 1 分析传统断面分割法的不足，并基于动量交换原理，得 出一种计算过流能力的改进方法。黄本胜【1 4 l 通过建立顺直复式河槽边 界层理论模式，提出了估算过流能力又一方法。王树东【l u 从雷诺方程 出发，并结合b o u s s i n e s q 假定，采用分离变量法，获得点流速的分布， 进而获得断面过流能力的表达式。a c k e r s 2 3 1 分析影响顺直复式河槽过 流能力所有影响因素，提出了河槽协同度方法。 上述对于复式河槽的研究，基本为一维和二维计算分析。复式河 槽漫滩水流的横向动量交换和二次流意味着其流场是复杂的三维流 动。三维计算，雷诺方程是不封闭的，需要引入紊流模型。k e l l e r 和 r o d i t 2 4 1 、p r i n o s l 2 5 1 采用沿水深积分的k c 紊流模型模拟复式断面明 渠流动，在主槽与浅滩问水深变化较小时，计算结果与实测结果接近， 4 四川大学硕七学位论文l 绪论 但在水深变化较大时，交换处的流速和平均应力误差较大。 1 一e 紊流模型及类似的双方程紊流模型由于采用涡粘性系数各 项同性假定，不能算出紊流驱动的= 次流。k r i s h n a p p a n 和l a u t 2 6 l 使用 t h a t c h e l l 提出的代数应力模型用到明渠三维紊流计算，给出了主流流 场和壁面应。k a w a h a r a 和t a m a i 【2 7 j 采用l a u d e r 和y i n g t 2 8 l 提出的代数 应力模型，计算复式明渠流动，结论是雷诺应力模型中的经验常数对 二次流大小起决定作用。上述两种模型的共同特点是应力表达式忽略 了二次流速的导数项。l a r s s o n f 2 9 ) 采用n o a t 和r o d i 3 0 l 提出的n r 代 数应力模型，p r i n o s 3 1 】采用d e m u r e n 和r o d i l 3 2 1 提出的模型计算复式明 渠流动，但他们都采用近似公式模拟固壁对雷诺应力的影响，应用到 复式断面流动中，取值有一定的任意性。s h i o n o 和林斌良 3 3 1 及 p e z z i n g a t 3 4 1 采用s p e z i a l e 提出的非线形的k c 模型分别计算了复式河 槽漫滩水流，得出了较好的结果。 林斌良和s h i o n o 【3 5 1 ，陈文学3 6 1 ，k e a r n e y t 3 7 1 以及s h i o n o 3 s l 应用代 数应力模型和非线形的k c 模型模拟了复式河槽漫潍水流，这两种模 型是当前复式河槽漫滩水流三维模拟的常用方法。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要有以下章节： 第二章，首先对复式河槽的水流特性作出总结，水流特性包括水 流机理，阻力，主滩槽流量比，流速和床面剪切力横向分布。然后简 要介绍了复式河槽现在常用的计算方法，包括单一河道法、断面分割 法、谢汉祥法和王树东法、断面叠加法、等速剖分法、c o h 方法、侧 分布法和s h i o n o & k n i g h t 方法( s k m ) 第三章，详细介绍了一些一、二、三维复式河槽数值模拟方法。 一维模拟有断面分割法( h e e - - r a s ) 和c o h 方法，二维模拟有m i k e 2 1 和s k m ，三维模拟应用r s m ( 雷诺应力模型) 第四章，应用一维模型h e c r a s ，二维模型s k m 数值解，计算 了不同水深下的天然河流和试验水槽。然后应用三维模型r s m 研究了 不同水深下的复式河槽断面流速及滩槽床面剪切力分布 四川大学硕士学位论文复式河橹水沙运动数值模拟 第五章，应用s k m 加沙莫夫推移质输沙率公式计算长江宜昌水文 站的沙质推移质输沙率 第六章，对全文的总结及今后研究工作的建议。 6 四川大学硕士学位论文 2 复式河槽水流运动特性及计算方法 2 复式河槽水流运动特性及计算方法 2 1 复式河槽水流特性 河流洪水漫过主槽和滩地的交界点就形成复式河槽水流，归纳国 内外学者四十余年来的研究成果，复式河槽水流的特性如下： 主槽中的过水能力较漫滩前大为降低。 潍地上的水流流速较同样水深的单一河槽的水流流速大。 滩槽交界面附近，水深发生急剧变化，出现低流速值，水面形成 许多大大小小的涡旋。 在滩槽交界面附近，形成复杂的次生流和螺旋流，水流紊动强度 大于主槽和滩地水流的紊动、次生流和螺旋流的存在使滩槽交界面附 近的水体发生大量的质量交换。 形成以上四个特性的原因是水流中的粘性作用。天然河流是真实 流体，水流的粘性( 包括湍流粘性) 起着重要的作用，不可忽视。如果， 将河流洪水按理想流体处理，所得到的物理图形是不完善的。运动的 有旋性和能量的耗散性是粘性流体的基本属性。粘性起着双重的作用， 一方面，在粘性的作用下，水流中形成大大小小的涡旋，另一方面， 粘性又对涡旋的运动产生阻尼作用，最终将涡旋的动能转化为热量而 耗散。在复式河槽水流的滩槽交界面附近，这一点表现得尤为突出。 滩槽交界面附近存在着大量的旋涡早已被人们所熟知。正是这些旋涡 耗散了漫滩洪水中的大量的有效机械能。这部分有效的机械能是从周 围水体( 主槽和滩地的水体) 中吸收的。 2 1 1 复式河道水流机理 2 1 1 1 复式顺直河道水流机理 复式顺直河道的几何形状虽然相对简单，但当水流由主槽漫入滩 地后，由于断面形状的变化和滩槽阻力的差异，水流结果复杂近些 年来，许多研究者对此进行了研究，其中k n i g h t 和s h i o n o 3 9 1 得到了复 式顺直河槽三维流动特性的示意性描述图如图2 1 所示。图中，主槽 水流快速流动和浅滩较慢流动作用产生了横向的剪切层，剪切层影响 7 四川大学硕七学位论文复式河槽水沙运动数值模拟 着纵向的紊动结构和涡的发展。由于紊流的各向异性，滩槽交互区存 在着较强的二次流，而在主槽和浅滩垂向交界面上，有着垂向的涡流 和横向的潍槽动量交换，二次流对于动量交换和床面剪切力有着重大 影响。滩地和主槽之间的动量交换，有一部分是由两层之间的速度梯 度造成的，因为在主河道与滩地结合部有很明显的速度不连续。由于 二次流引起的对流，以及由速度梯度引起的扩散，组成了动量的交换。 如图2 2 1 4 0 】漫滩上较慢水流的产生横向的剪切层，剪切层引起大尺度 的垂向涡流，这个涡流可能延伸到漫滩的大部分范围。如图2 3 8 】，当 滩槽交界面主槽一侧有一个明显凹角时，纵向的涡也是非常明显的。 这两个涡流和滩槽阻力的差异引起的剪切层使床面剪切力的计算非常 困难。 界 图2 1复式顺直河槽水流结构 8 r i t l o o 5 o 8 s - 2 图2 2 漫滩水流大尺度垂向涡流结构 _ - 0 0 2 u l i ! t 图2 3漫滩水流纵向涡流结构 0 2 1 。1 2 复式游荡型河道水流机理 对于复式游荡型河道来讲，它具有所有复式顺直河道的水流机理。 但是由于上游漫滩水流不再与下游主槽水流相接，复式游荡型河道的 水流机理要比顺直河道复杂得多。复式游荡型河道的水流机理包括： 1 许多不同的二次流( 参考图2 4 【4 1 1 ) ，由主河道的弯曲度和过水 段面的形状决定； 2 潍槽交互区的强剪切力，边界摩擦，紊流( 参考图2 5 1 4 2 1 ) ： 9 四川大学硕士学位论文复式河槽水沙运动数值模拟 河j 奄处= 敬流减弱 图2 4 复式游荡型河道水流特征 一漫滩水流 ，滩槽水流交互产生的# 觇 争t = = r _ 嘲_ _ _ 一 b 岁巳一二次流产生的紊流 侧亟摩擦产生的素流 ( a ) 二次流产生机理 1 0 过主 次流 四川大学硕士学位论文 2 复式河槽水流运动特性及计算方法 一( b ) 横断面紊流产生主要组成 图2 5 复式游荡型河道水流特征 3 流体的收缩和扩张引起的能量损失( 参考图2 6 t 4 2 1 ) 。沿着河流， 水流冲击角度改变，收缩和扩张的损失也随着变化。 漫滩方向 图2 6 复式游荡型河道扩张和收缩损失 2 1 2 复式河槽的水流阻力 要认识复式河槽流速、流量的特征，必须先解其水流阻力特性 对于单一断面河渠已经积累了大量资料，既有实验室资料，也有野外 资料，也提出了适用于小型光滑渠槽的阻力公式，周文德提供了简单 形状天然河渠的阻力系数值。可是对具有复式河槽，使用传统方式产 生很大误差。如果把复式断面看作单一断面渠遭，过水能力的估算偏 低，假使把复武断面分割成具有单一形状的子断面分别计算，再累加 得总的过水能力，则估算值偏高很多，上述估算方法的误差高达3 0 ， 四川大学硕士学位论文复式河槽水沙运动数值模拟 这样的误差会造成设计洪水情况下洪灾损失预测的严重错误 在应用谢才( c h e z y ) 和曼宁( m a n n i n g ) 公式1 4 3 1 的同时，也有许 多人受接受美国土术工程协会阻力系数研究组的建议，采用适用于管 流的达西一魏斯巴赫( d a r e y w e i s b a e h ) 公式1 4 4 1 。d a r e y w e i s b a c h 阻 力系数f 是无量纲的，在量纲上比谢才( c h e z y ) 和曼宁( m a n n i n g ) 系数严谨，但是f 与水深和边壁粗糙程度的关系要复杂的多。这三种 阻力系数可用公式( 2 1 ) 建立关系： c ：三月l 厍 、f ( 2 1 ) 式中，c 为c h e z y 系数，n 为m a n n i n g 系数，r 为水力半径，f 为 d a r e y - - w e i s b a e h 系数。 d a r e y - - w e i s b a e h 阻力系数f 的求解可以采用科尔勃洛克一怀持关 系式。该式只适用于紊流，对于明渠其形式如下： 仔一g 哗+ 妇 沼：， 对于不同类型的横断面，以及不同类型的糙度，其中的系数变动 于如下范围：1 2 a t 1 5 ，o b f 6 ，对于具有散粒体河床的渠槽或水 道，一般取k g = d 5 0 。 然而复式河槽中，由于动量传递在，水流复杂。教科书上，河流 工程中把复式断面处理成不同的单一断面的组台，这种分割断面计算 方法没有考虑动量由主槽向边滩传递所形成的附加阻力，计算的主槽 流量严重偏大。因为在低漫滩水位时，主槽过水所占的比重大，从而 按照这种分分割断面方法求得的整个断面过水能力过高。对于光滑的 复式明渠。对光滑边界复式明渠，m y e r s 4 5 】建议下面的计算公式： 厂= o g e ，r e 。r e ，】 ( 2 3 ) 式中，r e 。是为主槽水流雷诺数，r e f 是为边滩水流雷诺数，r e 是 为全断面水流雷诺数，中是函数关系式。 根据f c f 的试验数据，k n i g h t 4 6 】等提出对复式河槽漫潍前后阻力 四川大学硕士学位论文2 复式河槽水流运动特件及计算方法 系数与水深或雷诺数的关系进行研究。由图2 7 可知：复式断面的曼 宁系数n 值在水位刚刚漫滩时急剧下降，然后随着水深的增长又回到 通常的数值。这一部分是因为在浸滩水位时，水力半径显著减小，但 也可能是因为动量传递使复式断面比相应的单一断面，水力上更有效。 图中还表明复式断面作为单一断面处理时计算时过水能力偏小，是由 于所采用的曼宁系数n 值将大于由图所得的值，因而导致计算的过水 能曲偏低。图2 8 中o v e r a l lf 是单一断面计算出的阻力系数 ( f o = 8 9 r s o ，职) ，l o c a lf 是平均阻力系数( f o = 0 p ) i 肋) ，图中又 一次显示在漫滩水位时的阻力系数的显著下降。虽然在复式明渠试验 数数中明显地出现一种线型，但它显然不局于