空腔回流区水沙特性的计算分析论文

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1、空腔回流区水沙特性的计算分析论文摘要：建立了回流区水深平均平面二维水流泥沙数学模型，提出了平衡输沙模式下回流区泥沙淤积计算方法；采用长江科学院空腔回流泥沙淤积水槽试验数据，验证了回流区泥沙淤积计算方法的可行性和精度；通过数模计算分析，一方面加深了空腔回流区环流结构及含沙量分布的机理认识，另一方面研究了模型变率对回流区水沙特性的影响。关键词：空腔回流区二维水沙数模环流结构1概述河道水流由纵向水流（主流）和次生流（副流）构成。当次生流与纵向水流结合在一起时，将形成螺旋流，弯道水流属于典型的螺旋流；当次生流基本上脱离纵向水流形成相对封闭的环流时，

2、即产生了回流。回流流动形态上的封闭性是相对的.freeletersoffloodelσκσεC1C2CμEEκ1.01.31.441.920.091/2～1/80.05～0.102.2泥沙模型含沙量分布的模拟采用了平衡输沙模式下水深平均形式的泥沙对流扩散方程5，7(11)式中s为垂线平均含沙量；εs为泥沙紊动扩散系数(εs=κνt，h为经验系数）。含沙量方程(11)边界条件仍采用进口给定分布，出口按法向边界条件控制；数值求解也采用了有限控制容积法1，6］。假定回流区外侧的纵向主流泥沙冲淤变化相对较小，采用平衡输沙模式可计算出整个回流区内的泥

3、沙淤积量，计算公式为(12)式中，计算节点为60×40(图1)。图1空腔回流区二维水沙计算网格Gridin2-Dmodelincavityrecirculationregion图2空腔回流区二维水沙计算流速矢量场Vectorfieldofcalculatedvelocity图2和图3给出了第一和第四组水槽回流区流速矢量场和相对流速等值线分布，相对流速是指回流区二维计算节点水深平均流速占水槽进口断面平均流速的百分数；图4给出了四组水槽计算的无量纲化主槽流量沿程变化，无量纲化主槽流量为空腔主槽区流量与进口流量的比值。表2空腔回流区二维水沙计算参

4、数及成果Calculatedparametersandresultsof2-Dmodel计算组次一二三四水深h(cm)10255070流量Q(l/s)6.1724.3868.96114.23含沙量S(kg/m3)7.137.187.187.43泥沙中值粒径d50(mm)0.090.170.300.35放水历时t(min)360227161136进口流速U(cm/s)4.1136.5019.19510.879模型变率e1.02.55.07.0Froude数Fr0.04150.04150.04150.0415Reynolds数Re4110162

5、504597576150水槽糙率n0.0120.0120.0120.012实测回流区淤积①2.303.228.7413.34计算回流区淤积3.666.278.8810.64注：①无量纲化泥沙淤积：100×（泥沙淤积体体积/回流区水体体积）。图3空腔回流区二维水沙计算无量纲化流速等值线Calculatedisoplethofvelocity表2给出了四组水槽回流区泥沙淤积验证结果；图5给出了第一和第四组水槽回流区含沙量等值线；图6给出了二维数模计算的空腔回流区泥沙淤积量与主槽流量亏损的关系，泥沙相对淤积量和主槽流量相对亏损分别指不同模型变率条

6、件下无量纲化泥沙淤积和无量纲化主槽流量亏损与模型变率1时(第一组水槽)对应值之比，无量纲化主槽流量亏损为进入空腔回流区最大流量占进口流量的百分比；图7给出了计算的空腔回流区泥沙相对淤积量与模型变率的关系。图4空腔回流区计算无量纲化主槽流量沿程变化Calculateddischargealongmainchannel图5空腔回流区二维水沙计算含沙量等值线Calculatedisoplethofsedimentconcentration图6空腔回流区泥沙淤积量与主槽流量亏损的关系图7空腔回流区泥沙淤积量与模型变率的关系Relationbeten

7、tdepositionanddischargelossinmainchannelRelationbetodel上述计算成果不仅证明了回流区二维水流泥沙数学模型的可行性，验证了回流区泥沙淤积计算方法的精度，而且对于回流区环流结构、泥沙淤积以及模型变率对回流区水沙特性的影响等有如下几点认识：①空腔回流属于竖轴环流，具有不对称性和不封闭性；回流区与主流区交界面（紊动掺混区）存在较大的流速梯度；水流从空腔下游侧壁进入回流区，以对流形式参与回流区环流运动；回流区环流运动受水流的紊动粘性项和对流惯性项的共同作用。②回流区含沙量分布也呈现出不对称性；回流

8、与主流交界面存在着较大的含沙量梯度，但其强度弱于流速梯度强度，表明回流区泥沙运动存在着滞后性；回流区泥沙淤积量与主槽流量亏损的关系表明：回流区环流特性决定了回流区泥沙特性及淤积量