明渠弯道三维冲淤数值模拟.pdfVIP

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 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— 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．eom l 1 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，垂向采用边界适应坐标 系 ，对 RANS方程 的求解 ，模型采用显式