明渠弯道三维冲淤数值模拟.pdf

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1、泥沙研究2013年12月JournalofSedimentResearch第6期明渠弯道三维冲淤数值模拟邢岩，金生，艾丛芳，赵丹禄(1．大连理工大学水利工程学院，辽宁大连116024；2．天津大学仁爱学院建筑工程系，天津301636)摘要：文章建立了基于非结构化网格的三维非静压有限体积地形冲淤模型，模型能够准确地模拟弯道二次流及其对河床切应力的影响，同时也考虑了横向底坡对输沙方向的影响，推移质输沙采用Engelund—Hansen全沙公式，将模型应用于140。明渠弯道冲淤试验，分别选取弯道纵向和横

2、向地形冲淤测量值与计算值进行对比，结果显示模型能够模拟弯道主要的冲淤特征，具有较高的模拟精度，能进一步用于实际弯曲河道的地形冲淤计算。关键词：明渠弯道；地形冲淤；非结构网格；非静压；数值模拟中图分类号：TV146．1文献标识码：A文章编号：0468—155X(2013)06-0001-05明渠弯道流动的显著特征是在横断面上存在二次流(横向环流)，其与主流向流动结合形成三维螺旋流，使渠道中的流动和泥沙输运变得相当复杂。在离心力和压力梯度共同作用下产生的二次流，使得表层水流流向外岸，而底层水流向内岸流

3、动并可能使外岸床底泥沙向内岸输移，从而造成弯道外岸冲刷而内岸淤积，形成横向底坡，在二次流逆底坡输沙和沙粒因自重顺底坡运动的共同作用下，逐渐达到平衡状态⋯。河床冲刷将冲蚀或破坏河道建筑物，而淤积则会影响航运通行，并增加引水困难，因此准确预测冲积河道的冲淤变化对水工建筑、河道整治及航运安全等均具有显著意义，数值模拟就是一种有效的手段。数值模型在弯曲渠道的流动和地形冲淤变化计算中已经有广泛的应用，众多的二维有限差分，有限单元和有限体积数值模型已成功地预测弯曲渠道的地形冲淤变化。但鉴于弯道流动的复杂三维特

4、性，尤其是弯道二次流对输沙的重要影响，二维水深平均模型不能准确模拟流动的二次流特征，虽然像Vasquez等和Ghamry等引入垂向分布假设或是额外的守恒形式等准三维模型加以补充，对泥沙输移的准确计算仍存在不足。随着计算机运算能力的大幅提升，采用完全三维的方法计算弯曲渠道的流动、泥沙输移及其地形变化已成为可能。自从代尔夫特水力实验室(DHL)对140。明渠弯道的地形冲淤进行试验研究以来，众多数值模型采用该试验检验模型的模拟能力。Struiksma最早建立有限差分的二维数值模型并采用Engelund—

5、Hansen全沙模型模拟140。明渠弯道的地形变化；Choi等和Vasquez等分别建立各自的二维有限单元模型对140。明渠弯道恒定状态下的冲淤变化进行模拟；Zeng[12]采用正交曲线网格下的三维非静压数值模型研究对比不同紊流模型以及不同推移质输沙公式恒定状态下的地形冲淤变化。本文对140。明渠弯道恒定状态下的地形冲淤变化的模拟，采用三维非静压有限体积方法求解RANS流动方程，考虑到天然河道复杂的岸线变化，水平采用笛卡尔非结构网格以提高模型适应复杂边界的能力，垂向采用边界适应坐标系，以有效捕捉水

6、面和河床的变化，涡粘系数采用标准，c—s紊流模型计算，推移质输沙采用Engelund—Hansen全沙公式，并考虑横向底坡泥沙自重对输沙方向的影响。收稿日期：2013-03-05作者简介：邢岩(1985一)，男，河南南阳人，博士，主要从事河流海岸水动力数值模拟。E-mail：xingyan3610@gmail．eoml1模型描述1．1水动力方程采用有限体积方法在非结构笛卡尔坐标系下求解三维不可压缩RANS水动力模型，推移质输沙模型以及地形冲淤模型(泥沙连续性方程)。为了精确捕捉水面和河床的变化，垂

7、向采用边界适应坐标系，对RANS方程的求解，模型采用显式投影方法，除了动量方程中压力梯度和垂向粘性项之外，其余各项都进行显式处理，采用Boussinesq假设，将压力项分解为静压项和非静压项，变量采用交错定义的方式H。求解RANS方程分为三步：首先求解包含对流项和扩散项的动量方程，得到中间步的速度场；然后通过求解由离散连续性方程和动量方程得到的压力泊松方程，求得新时刻的压力；最后将其代人动量方程对中间步的速度场进行修正，以得到新时刻的速度和水位。1．2泥沙连续性方程只考虑推移质并假设泥沙颗粒分布为

8、均匀泥沙，泥沙的连续性方程可以写成p鲁++等=0㈩式中P为推移质沙粒的孑L隙率(通常取0．4)；qh和g分别为推移质输沙率沿和Y方向的输沙分量；为时间；为河床高程。1．3推移质输沙模型推移质输沙率q可以采用许多经验模型，本文采用Engelund—Hansen全沙公式g6=0．05~／(s—1)gd5。0尼(2)其中q为推移质输沙率，单位为N／(m·s)；d。为泥沙中值粒径；g为重力加速度；C为谢才系数；s为泥沙的比重；0为无量纲的Shields数，可以表示为)式中f为河床切应力，单