斜坡下游三维水流数值模拟及消能特性研究

作     者：代宁波 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：喻涛

授予年度：2024年

学科分类：080103[工学-流体力学] 08[工学] 080104[工学-工程力学] 081502[工学-水力学及河流动力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：消能效率 水流特性 坡度 河底高差 

摘      要：平陆运河工程起于南宁市横州市西津库区平塘江口,经钦州市灵山县陆屋镇沿钦江进入北部湾,全长约135km,沿线众多支流入汇,运河开挖造成各支流与运河河底高差较大,导致干支流交汇处的水流复杂、流态紊乱、水面波动剧烈,对运河通航安全造成严重威胁,因此一些支干衔接处需要设置斜坡以达到消能及水流平稳进入运河的目的。本文以计算流体力学的理论为基础,利用FLOW-3D软件进行数值模拟计算,以不同流量、河底高差及水面落差作为影响因素,开展对不同坡度斜坡下游的水流特性及消能效率研究,主要研究结论如下: (1)不同流量下,在放坡坡比为P=1:2、P=1:4时,在斜坡坡脚附近,形成有表面旋滚的完全水跃,同时下游水面波动较小;而放坡坡比为P=1:8、P=1:12、P=1:16时,斜坡下游会形成波状水跃,导致水面起伏较大,同时会在河道两侧形成狭长连续的回流区域,且极不稳定,流态较差。斜坡下游的消能效率随斜坡坡度减缓整体呈先减小后增大的趋势,但增大幅度较小,其动能消能效率随着坡度减缓而逐渐减小,与坡度呈正相关形。整体来看,在小流量下,选择P=1:2的放坡型式,而在大流量下,选择P=1:4的放坡型式,斜坡下游的水流流态较好、水面波动较小、消能效率较高,坡脚处流速较小。 (2)不同河底高差下,且上下游水位相衔接时,斜坡下游流态稳定,流速较小,仅在放坡段出现较小的跌水现象,水面波动较小,但由于下游水深很大,导致下游消能效率很低,随着坡度变缓,动能消能效率呈先增大后减小的规律,当放坡坡比为P=1:12时,其动能消能效率最高。 (3)不同水面落差下,在P=1:2、P=1:4时,水面落差为4m、6m、8m的斜坡下游均会形成有表面旋滚的完全水跃,下游水面波动较小;而在P=1:8、P=1:12、P=1:16时,斜坡下游会形成波状水跃,导致水面起伏较大,同时会在河道右侧形成大范围回流区域,范围随着下游水深的增大而增大,但回流区流速随之减小。斜坡下游消能效率随着水面落差的减小而减小,随着斜坡坡度变缓,呈先减小后增大的趋势,当P=1:12时,斜坡下游的消能效率最低。在水面落差较小时,选择P=1:2的放坡型式,而在水面落差较大时,选择P=1:4的放坡型式,斜坡下游的水流流态较好、水面波动较小、消能效率较高。