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不同类型丁坝防护设施的流场特性数值模拟

不同类型丁坝防护设施的流场特性数值模拟

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作者：李海德（Haider Rizwan）大连理工大学

学位级别：硕士

丁坝的主要功能是让水流远离河岸。当丁坝中断水流流动时,水流流动加速并且在丁坝周围形成各种涡流。加速流的横向输送和不同的涡流是引起的丁坝底部沉积物被冲走的主要原因,这些沉积物随后通过尾流涡流向下游移动并增强了主流流动。丁... 详细信息

丁坝的主要功能是让水流远离河岸。当丁坝中断水流流动时,水流流动加速并且在丁坝周围形成各种涡流。加速流的横向输送和不同的涡流是引起的丁坝底部沉积物被冲走的主要原因,这些沉积物随后通过尾流涡流向下游移动并增强了主流流动。丁坝尖端的较高流量通常被认为是结构破坏的主要原因。丁坝的主要目标是降低丁坝尖端流速以及使主流到河岸的方向的水流速度逐渐降低,使岸边的水流流速最小,以保护丁坝尖端和河岸。修改丁坝的渗透性或布置可以保护丁坝尖端和河岸。因此,本文引入了两种保护方法。第一种保护方法是使用不透水的丁坝与不同长度（0.2至0.6 m）的成组桩相结合,并提出了两种丁坝形式,即L型丁坝和T型丁坝。第二种保护方法是使用开孔丁坝,即在丁坝内部设置不同渗透率（22%、37%和52%）和孔隙角度（0°、15°、30°和60°）的交错孔隙。采用这两种保护方法,以研究矩形明渠中水流的流动和湍流特性。本研究使用基于标准k-ε模型的计算流体动力学（CFD）软件（ANSYS Fluent）,并通过与实验结果对比验证数值模型。研究流动和湍流特性的参数,包括速度分布、壁面剪应力、粗糙度系数（n）、再附着长度、湍流强度（T.I）和湍流动能（TKE）。湍流和流动特性的结果表明,与不透水的丁坝相比,丁坝模式（L和T）和开孔丁坝（0°）的使用都有所改善。对于开孔丁坝,随着孔隙角度（0°到60°）的变化,其性能得到进一步提高。对于与成组桩结合的丁坝,当桩长长度增加到0.6 m时,下游平均流速的增加趋势在左岸减少了5%,右岸减少了52%,主流减少了8%。在丁坝尖端,湍流强度（T.I）、湍流动能（TKE）和平均流向速度降低分别为19%、35%和12%。当丁坝孔隙角增加到60°时,下游平均流向速度（d/s）的增加趋势减少了25%,在丁坝尖端TKE、T.I和平均流向速度分别降低22%、15%和4%。结果表明,与典型的不透水丁坝相比,丁坝模式（L和T）和具有孔角的开孔丁坝都有助于保护河岸和丁坝尖端遭受更高的速度和湍流效应。

关键词：丁坝流动特性成组桩渗透性计算流体力学

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