明渠彎道三維沖淤數(shù)值模擬.pdf

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1、泥沙研究2013年12月JournalofSedimentResearch第6期明渠彎道三維沖淤數(shù)值模擬邢巖，金生，艾叢芳，趙丹祿(1．大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院，遼寧大連116024；2．天津大學(xué)仁愛學(xué)院建筑工程系，天津301636)摘要：文章建立了基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的三維非靜壓有限體積地形沖淤模型，模型能夠準(zhǔn)確地模擬彎道二次流及其對(duì)河床切應(yīng)力的影響，同時(shí)也考慮了橫向底坡對(duì)輸沙方向的影響，推移質(zhì)輸沙采用Engelund—Hansen全沙公式，將模型應(yīng)用于140。明渠彎道沖淤試驗(yàn)，分別選取彎道縱向和橫

2、向地形沖淤測(cè)量值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示模型能夠模擬彎道主要的沖淤特征，具有較高的模擬精度，能進(jìn)一步用于實(shí)際彎曲河道的地形沖淤計(jì)算。關(guān)鍵詞：明渠彎道；地形沖淤；非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；非靜壓；數(shù)值模擬中圖分類號(hào)：TV146．1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0468—155X(2013)06-0001-05明渠彎道流動(dòng)的顯著特征是在橫斷面上存在二次流(橫向環(huán)流)，其與主流向流動(dòng)結(jié)合形成三維螺旋流，使渠道中的流動(dòng)和泥沙輸運(yùn)變得相當(dāng)復(fù)雜。在離心力和壓力梯度共同作用下產(chǎn)生的二次流，使得表層水流流向外岸，而底層水流向內(nèi)岸流

3、動(dòng)并可能使外岸床底泥沙向內(nèi)岸輸移，從而造成彎道外岸沖刷而內(nèi)岸淤積，形成橫向底坡，在二次流逆底坡輸沙和沙粒因自重順底坡運(yùn)動(dòng)的共同作用下，逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)?。河床沖刷將沖蝕或破壞河道建筑物，而淤積則會(huì)影響航運(yùn)通行，并增加引水困難，因此準(zhǔn)確預(yù)測(cè)沖積河道的沖淤變化對(duì)水工建筑、河道整治及航運(yùn)安全等均具有顯著意義，數(shù)值模擬就是一種有效的手段。數(shù)值模型在彎曲渠道的流動(dòng)和地形沖淤變化計(jì)算中已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用，眾多的二維有限差分，有限單元和有限體積數(shù)值模型已成功地預(yù)測(cè)彎曲渠道的地形沖淤變化。但鑒于彎道流動(dòng)的復(fù)雜三維特

4、性，尤其是彎道二次流對(duì)輸沙的重要影響，二維水深平均模型不能準(zhǔn)確模擬流動(dòng)的二次流特征，雖然像Vasquez等和Ghamry等引入垂向分布假設(shè)或是額外的守恒形式等準(zhǔn)三維模型加以補(bǔ)充，對(duì)泥沙輸移的準(zhǔn)確計(jì)算仍存在不足。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的大幅提升，采用完全三維的方法計(jì)算彎曲渠道的流動(dòng)、泥沙輸移及其地形變化已成為可能。自從代爾夫特水力實(shí)驗(yàn)室(DHL)對(duì)140。明渠彎道的地形沖淤進(jìn)行試驗(yàn)研究以來，眾多數(shù)值模型采用該試驗(yàn)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪M能力。Struiksma最早建立有限差分的二維數(shù)值模型并采用Engelund—

5、Hansen全沙模型模擬140。明渠彎道的地形變化；Choi等和Vasquez等分別建立各自的二維有限單元模型對(duì)140。明渠彎道恒定狀態(tài)下的沖淤變化進(jìn)行模擬；Zeng[12]采用正交曲線網(wǎng)格下的三維非靜壓數(shù)值模型研究對(duì)比不同紊流模型以及不同推移質(zhì)輸沙公式恒定狀態(tài)下的地形沖淤變化。本文對(duì)140。明渠彎道恒定狀態(tài)下的地形沖淤變化的模擬，采用三維非靜壓有限體積方法求解RANS流動(dòng)方程，考慮到天然河道復(fù)雜的岸線變化，水平采用笛卡爾非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以提高模型適應(yīng)復(fù)雜邊界的能力，垂向采用邊界適應(yīng)坐標(biāo)系，以有效捕捉水

6、面和河床的變化，渦粘系數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)，c—s紊流模型計(jì)算，推移質(zhì)輸沙采用Engelund—Hansen全沙公式，并考慮橫向底坡泥沙自重對(duì)輸沙方向的影響。收稿日期：2013-03-05作者簡(jiǎn)介：邢巖(1985一)，男，河南南陽人，博士，主要從事河流海岸水動(dòng)力數(shù)值模擬。E-mail：xingyan3610@gmail．eoml1模型描述1．1水動(dòng)力方程采用有限體積方法在非結(jié)構(gòu)笛卡爾坐標(biāo)系下求解三維不可壓縮RANS水動(dòng)力模型，推移質(zhì)輸沙模型以及地形沖淤模型(泥沙連續(xù)性方程)。為了精確捕捉水面和河床的變化，垂

7、向采用邊界適應(yīng)坐標(biāo)系，對(duì)RANS方程的求解，模型采用顯式投影方法，除了動(dòng)量方程中壓力梯度和垂向粘性項(xiàng)之外，其余各項(xiàng)都進(jìn)行顯式處理，采用Boussinesq假設(shè)，將壓力項(xiàng)分解為靜壓項(xiàng)和非靜壓項(xiàng)，變量采用交錯(cuò)定義的方式H。求解RANS方程分為三步：首先求解包含對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)的動(dòng)量方程，得到中間步的速度場(chǎng)；然后通過求解由離散連續(xù)性方程和動(dòng)量方程得到的壓力泊松方程，求得新時(shí)刻的壓力；最后將其代人動(dòng)量方程對(duì)中間步的速度場(chǎng)進(jìn)行修正，以得到新時(shí)刻的速度和水位。1．2泥沙連續(xù)性方程只考慮推移質(zhì)并假設(shè)泥沙顆粒分布為

8、均勻泥沙，泥沙的連續(xù)性方程可以寫成p魯++等=0㈩式中P為推移質(zhì)沙粒的孑L隙率(通常取0．4)；qh和g分別為推移質(zhì)輸沙率沿和Y方向的輸沙分量；為時(shí)間；為河床高程。1．3推移質(zhì)輸沙模型推移質(zhì)輸沙率q可以采用許多經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，本文采用Engelund—Hansen全沙公式g6=0．05~／(s—1)gd5。0尼(2)其中q為推移質(zhì)輸沙率，單位為N／(m·s)；d。為泥沙中值粒徑；g為重力加速度；C為謝才系數(shù)；s為泥沙的比重；0為無量綱的Shields數(shù)，可以表示為)式中f為河床切應(yīng)力，單