溃坝水流冲刷三维数值模拟

作     者：周政杰 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙志林;邱建立

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 081501[工学-水文学及水资源] 0815[工学-水利工程] 

主      题：溃坝水流 三维溃坝数值模型 溃决模式 障碍物 

摘      要：溃坝水流是一种由严重的自然灾害引发的破坏性水流,具有突发、来势汹涌的特征,对坝下游河道和两岸生命财产安全构成巨大威胁。早期关于溃坝的研究以理论和试验为主,随着计算机和CFD的发展,数值模拟已被证明是一种研究溃坝水流演进的有效手段并被广泛运用。溃坝水流数值模拟目前以二维模型为主,但复杂地形上溃坝水流呈现明显的三维特性,三维数值模型更能反映溃坝水流的演进过程和冲刷机理。本文基于FLOW-3D建立定床和动床三维溃坝数值模型,用两个经典溃坝试验数据以验证模拟水动力和泥沙冲刷的有效性。本文将采用三维溃坝数值模型模拟突然扩张渠道的水流演进和冲刷,探讨试验中不易获知的溃坝水流现象。进而设置四种溃决模式考虑坝体溃决速度和溃口尺寸,分别模拟分析瞬时溃坝和逐渐溃坝、不同溃口宽度对溃坝水流演进和冲刷的影响。结果表明,坝体溃决速度对扩宽处床面影响较小,溃口宽度影响则较大;溃口宽度对口门处的影响较大,溃口越小,冲刷越严重。考虑障碍物对溃坝水流的影响,根据障碍物的数量及其排列位置,本文设置三种工况分别进行流场的分析。流场的计算结果表明,障碍物周围的水流结构复杂,存在一个复杂的“漩涡体系;障碍物对上游水面变化的影响较小,但对侧向和后方水面变化影响较大;障碍物对其前后位置流速的影响要远远大于对两侧位置流速的影响,障碍物对其上游影响范围在1.5D(0.15m)左右,对下游影响范围在2D(0.20m)左右;障碍物间距对速度场演化有一定影响,其间距越小影响越大。间距小时有一个速度先增后减的低流速区,间距大时这个低流速区消失,障碍物附近的速度场分布与单障碍物时候接近。考虑障碍物对溃坝床面冲刷的影响,本文将对三种工况分别进行冲刷的分析。冲刷的计算结果表明,水流遇到障碍物时的传播过程是一个出现局部冲刷且冲坑逐渐拓宽和刷深的过程;冲刷主要发生在溃坝的初期阶段,随后冲刷坑的深度和范围逐渐稳定,仅在坑内局部变化,最后形成稳定床面;冲刷主要在障碍物前侧和两侧,最大冲刷位置在前侧,然后是左侧,最后是右侧,其中,初始时刻时两侧的冲刷强度要大于前侧;障碍物数量的增多和其间距的减小使冲刷更为显著。