丁坝周围马蹄涡系与局部冲刷深度

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丁坝是河流和海岸工程的常见构筑物，局部冲刷深度是丁坝设计的一个重要参数，因而从理论上分析局部冲刷的影响因素，建立局部冲深的计算模型具有重要的现实意义。从丁坝附近流场实验数据出发，详细分析了三个流速分量在冲刷前后和空间的变化，提出了坝头附近底层水流中横向流速占优的观点。这就意味着坝头附近床面切应力的三个分量中，以横向切应力为主，因而坝头横向切应力对局部冲刷有重要贡献。分析得到了流速在垂向分布上的相似性和平面分布的相似性，据此认为马蹄涡系具有相似性，从而冲刷坑形态具有相似性。此为从理论上建立冲刷坑深度计算模式奠定了基础。分析了马蹄涡系的拓扑结构，并以5个涡组成的涡系来描述冲刷坑存在下的马蹄涡系，建立了丁坝附近的流动图像。论述了马蹄涡系在时间和空间内的变化，认为横向流速沿程增大的原因是马蹄涡系将水体上部流速较高的部分卷入坑底，而坑底流体在纵向和垂向上受限造成。指出不同高度的行进来流与冲刷坑内不同的过流位置相对应。以提出的流动图像为基础，分析了局部冲刷坑的发展变化过程，指出了行进来流及对应的马蹄涡系各个组分在冲刷过程中的变化及对冲刷所起的作用，认为坝头冲刷应重点考虑横向切应力或横向流速作用，局部冲刷达到平衡的条件是坝头处的横向切应力接近临界切应力或横向流速接近起动流速。采用Fluent数值模型计算了实验室情况下平底和冲刷坑存在下的丁坝周围的流场。分析了冲刷前后的压强、流速和床面切应力等，得到了不同位置流体的流动迹线，对流动图像和坝头横向切应力占优进行了验证分析。吸取Delft3D与Fluent模型的各自优点，采用两种模型、大小网格嵌套的方法成功地计算了钱塘江河口段一处丁坝周围的精细化流场，分析了坝头处的流速与切应力，进一步支持了坝头冲刷影响因子以横向流速和横向切应力占优这一观点。以流动图像为基础，建立了局部冲刷深度计算的数学模式。首先，考虑垂向流速影响，修正了垂直平板绕流的势流解析解，得到了最大冲深处作用流量的计算公式；然后，从水流连续性和冲刷平衡条件出发，获得了最大冲刷深度与丁坝坝长、行进流速及床面摩阻流速之间的函数关系，以前人实验数据对该函数进行了验证，符合良好；最后辅以量纲分析方法，得到了局部冲刷深度计算公式，验证良好。

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作者
倪晓静;
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作者单位

浙江大学;

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授予单位浙江大学;
学科海洋建筑物与环境
授予学位博士
导师姓名孙志林;
年度 2015
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类水利枢纽、水工建筑物;
关键词
丁坝; 马蹄涡系;

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