阶梯-深潭漩涡消能特性探究-论文.pdf

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1、第14卷第23期2014年8月科学技术与工程Vo1．14No．23Aug．2014l671～1815f2014)23—0281—05ScienceTechnologyandEngineering⑥2014Sei．Tech．Engrg．水利技术阶梯-深潭漩涡消能特性探究胡骏峰漆力健黄华东(重庆交通大学河海学院，重庆400074；四川农业大学水利与建筑工程系，雅安625014；重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074)摘要以探究影响阶梯一深潭结构漩涡消能特性为目的，通过选取野外发育良好的阶梯一深潭结构，采用k-6双方程紊流模型，利用V

2、OF追踪自由水面对阶梯一深潭结构的漩涡消能特性的进行数值模拟研究。实验在前人对阶梯．深潭结构研究的基础上，根据出流方式的不同，将其分为两种类型分别再次探讨其漩涡消能特性。实验主要研究出流方式和跌水区域变化对消能的过程中漩涡形成、运动的影响，结果表明：出流方式的改变和不同的深潭段跌水区域会影响漩涡的发育以及运动过程中的分裂、拉伸和破碎，从而影响消能的效果。综合对漩涡消能有较大影响的参数，提出无量纲参数来衡量阶梯一深潭结构的消能系数；并通过对野外实测数据的对比验证，消能系数与消能率的关系与数值模拟的结果接近。关键词山区河流阶梯一深潭系统

3、消能率漩涡出流方式中图法分类号TV131．31；文献标志码A阶梯．深潭结构是山区河流常见的地貌形态，它结构分为滑流式和跌落式两种类型。滑流式的出流是在水流作用下，由石块横向堆叠成的条形状将上方式为水流紧贴阶梯流人深潭。跌落式的出流方式游壅高而形成阶梯，阶梯下方又由于跌水冲蚀形成则类似于小瀑布的类型，水流直接从阶梯口跌落入深潭而发育成的一种具有较大稳定性的河床结构。深潭。研究人员通过野外实测深潭结构的几何参数和模拟在雅安周边的山区河流中，选取具有代表性和实验等发现了以下规律：王兆印，漆力健等⋯利用发育良好的跌落式和滑流式阶梯．深潭结构

4、，实测其阶梯一深潭结构能消散水流能量的功用，在文家沟修各项参数并计算其消能率。野外实测阶梯一深潭系筑人工阶梯一深潭结构防治泥石流，取得一定效果；统的消能率计算采用徐江等的公式：黄华东，漆力健等研究了阶梯．深潭结构的物理消能机制；Roni等研究认为对下切河流的治理，在Ah+(吉一去)K————}。初期采用大石块布置阶梯结构能有效消耗水流能1量，保护河床；以上的研究在利用人工阶梯深潭结构+盏防治泥石流中取得一定的效果，但是人工阶梯一深潭式中Q为流量，为河道宽度，h、h分别为阶梯和系统的形态和结构还是没有一个可参考、遵循的依深潭处的水深。

5、据。阶梯一深潭系统有减缓水流速度，消耗水能的作2出流方式对漩涡形成的影响用，控制河床侵蚀下切，是维持大坡度山区下切河流健康稳定的重要河床结构。因此，研究阶梯一深潭结为了探究出流方式对消能的影响，选取野外两构的消能机制，能为山区河流治理提供相关依据，对段发育良好、且出流方式不同的阶梯一深潭结构，并人工阶梯．深潭系统的形态和结构提供参考。实际测量其典型结构的数据，根据实测数据进行了数值模拟，模拟的流量均为天然流量工况。其中数1野外模型观测值模拟采用一占紊流模型，压力和速度的耦合采用在观察野外众多类型的阶梯一深潭结构当中，根SIMPLE算

6、法，并且用有限体积法对偏微分方程组据水流从阶梯口流人深潭方式的不同，把阶梯．深潭进行离散；水气交界自由面采用VOF方法追踪模拟。上游的边界条件根据实测值给定，在出流边界2014年3月28日收到四川省教育厅资助项目(12ZB306)资助上给定压力为当地大气压的出流条件，在固壁上给第一作者简介：胡骏峰(1991一)，男，四川成都人，硕士研究生。研定法向的速度为零和无滑移条件，近壁的黏性底层究方向：岩土工程以及工程水力学。E—mml：hujunfengcqjtu@采用壁函数法处理。滑流式模型的基本三维坐标建~xmm1．oom。立为：重力方

7、向为y轴，水流方向为z轴，河道方向23期胡骏峰，等：阶梯一深潭漩涡消能特性探究也将会影响深潭中漩涡的形成、运动、位置以及出现HuangHuadong，QiLijian，ChenShehon~Numercialsimulationontheenergydissipationofstep·-poolsystem．JournalofSouthwestUni-的频率；当流量增大，跌水区域向前移动，将不易形versityforNationalities(NaturalScienceEdition)，2012；38(1)：成立轴漩涡，对消能有直

8、接的影响。132—136(2)提出了一种衡量阶梯一深潭结构的消能系3RoniP，BennettT，MorleyS，eta1．Rehabilitationofbedrockstream数，经过数值模拟和野外实地测验，所提出的消能系cha