突咀深沱边界条件下泡漩水的研究

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1、突咀深沱边界条件下泡漩水的研究彭凯作者简介：彭凯，男，（1957—），博士，教授，重庆交通大学河海学院，主要研究方向:水力学及河流动力学，于丽伟1(重庆交通大学河海学院，重庆400074)【摘要】本文在水槽实验的基础上，分析研究了突咀深沱边界条件下泡漩水的形成机理和影响泡漩水强弱的主要因素。并运用量纲分析和数理统计理论对实验数据进行分析研究，求得了泡水高度的计算公式，为治理山区河流碍航泡漩水险滩提供了理论依据。【关键词】泡漩水突咀深沱泡水高度StudyonBoil-vortexFlowwiththeBoundaryofCon

2、vexBankandDeepPoolAbstract:Basedonflumetests,intheconditionoftheconvexbankanddeeppoolboundarythecauseofformingboil-vortexflowandthemainfactorsaffectingboil-vortexflow’sintensityareanalyzedinthispaper.Thedimensionalanalysisandstatisticsareappliedtostudyingtestdata,a

3、ndtheformulaoftheheightofboil-vortexflowhasbeengot,whichprovidedtheoreticbasesforregulatingthecascadewithboil-vortexflow.Keywords:boil-vortexflow;convexbank;deeppool;heightofboil-vortexflow0引言在现代交通运输方式中水运具有运量大、成本低和能耗小等优势。我国江河湖泊星罗棋布，但是水运状况还较为落后。原因是多方面的，从航道角度而言航道标准低，

4、例如各种碍航险滩的存在极大地制约了通航河流船舶的通过能力。我国西部山区河流滩险流急，各类碍航滩险众多，而泡漩水滩险是山区河流主要碍航滩险之一，对船舶安全航行威胁极大。深入研究其形成机理，将为碍航泡漩水险滩治理提供可靠的手段，对加快西部山区河流碍航险滩的治理具有十分重要的意义。由于泡漩水是复杂的三维水流，到目前为止，对泡漩水险滩的整治主要采取现场观察、工程实践经验和河工模型试验相结合的办法，泡漩水模型试验的相似性显得尤为重要，文献【1】曾对正态模型泡漩水相似性进行了探讨。文献【2】采用三维K-ε模型，引入通度概念处理不规则边界

5、，用VOF法追踪自由表面对突咀和深沱地形组合进行了数值模拟，但其模拟方法还有待进一步完善，距实际工程应用还有较大差距。之后，未见对泡漩水进行专门研究的报道。在顺直河段中，突咀和深沱地形组合是形成泡漩水的典型边界条件之一，这种地形组合产生的泡漩水强度大。本文通过水槽实验取得多组实测数据，分析了突咀深沱边界条件下影响泡漩水强弱的主要因素，并运用量纲分析和数理统计理论对实验数据进行分析研究，求得了泡水高度的计算公式，其研究成果具有一定的工程实用价值。71泡漩水产生的原因[3]试验观察发现，泡漩水形成的必然条件是水流动能与位能之间发

6、生转换。水流之间发生这种能量转换又需要一定的边界条件和水力条件。边界条件为突咀深沱的泡漩水情况如图1，由于突咀挑流，在突咀断面前发生水流分离，突咀的下游有大范围的回流，在回流与分离区的边界上有一串串漩涡。当水深小、流速小时，泡漩很弱少，且只出现在回流与分离区的边界上；当流量加大以后，除在这些区域有泡漩之外，回流区内以及下游近区域都有泡水和漩涡。这种泡漩强度大，频率高，范围广。对产生这种流态的原因分析如下：(1)在突咀的上游，由于水流受到突咀的阻挡，底部水流上涌而形成泡，并形成范围不大的回流区。(2)在突咀的下游，因边界层水流

7、分离而出现大范围的回流区。除回流与主流交界面形成一连串漩水以外，一方面由于回流区尾部范围是不稳定的，因而水流紊乱，回流区尾部回流水和扩散的主流冲撞槽壁，形成水流上涌，动能变成位能而成泡水。另一方面由于主流流速沿垂线分布不均匀，岸壁突咀下游沿水深的各个平面上的回流区范围不一致，主流流速大小与回流区范围大小成正比，靠近水面的回流区范围较大，而底部回流区范围较小，所以底部的主流扩散上升进入上层回流区，动能转变为位能而成回流区内的强烈泡水。这种泡水是阵发性的，且出现位置也不固定。当泡水冒出水面后，亦可见到由于水流上涌而带动周围水流旋

8、转而形成的漩水出现。图1突咀挑流形成泡漩水示意图2影响泡漩水强弱的主要因素根据试验，分析得出突咀深沱边界条件下影响泡水强弱的主要因素有：2.1边界条件7对顺直河段而言，深沱上下斜坡角度及水槽的底坡对泡水强度（泡高）的影响不大，而突咀相对槽宽的突出宽度对泡高的影响要较大。同等水流条件下，突咀