二次流对微弯河段水沙输移影响的数值模拟研究.pdfVIP

泥 沙 研 究 2013年 10月 JournalofSedimentResearch 第 5期 二次流对微弯河段水沙输移影响的数值模拟研究 邓春艳 ，夏军强 ，宗全利 ，许全喜 (1．武汉大学 水资源与水 电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；2．长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 430010) 摘要 ：二次流运动是影响弯道 内流速 、含沙量分布及河床冲淤变形的重要 因素。以往二维数学模型很少考虑 二次流运动对水沙输移 的影响。本文采用 Delft3D模型的二维计算模块 ，通过在水沙输移方程中添加 附加应 力项来考虑二次流运动的影响，计算了不同流量级时荆江沙市微弯河段的水沙要素分布，并用实测流速和含 沙量资料验证了模型的可靠性。在此基础上，详细分析了二次流运动对流速、含沙量分布的影响，以及上游来 流量大小与二次流对水沙输移影响程度 的关系。最后对水流运动方程中的二次流附加应力项、水面 比降项及 阻力项的大小进行 了量级分析 。这些计算结果表 明：二次流对水沙输移 的影响程度随着来流量 的增加而增 大，但在微弯河段其影响程度很小。 关键词 ：二次流 ；水沙输移 ；微弯河段 ；上荆江 ；Delft3D模 型 中图分类号 ：0242．1 文献标识码 ：A 文章编号：0468—155X(2013)05-0027．08 1 引言 在冲积河流 ，弯曲段 的环流特性及二次流运动引起的横 向输沙直接决定弯道河床形态 的形成与发 展 ，因此研究弯道内二次流对水沙输移 的影 响，在实 际工程中具有重要价值 。deVriendl2首先从数 学模型的角度对弯道水流运动进行了研究，成功计算 了微弯河段低雷诺数下的流动。孙东坡等 研究 了弯道水流中横向水流切应力的形式以及泥沙的横向输移 问题 ，同时为便于数学模型计算 ，改进 了环流 流速公式及弯道水流横向输沙模式。目前模拟长江中下游弯曲河段水沙输移及河床冲淤的数学模型较 多 。陆永军等 采用二维动床模型计算了荆江某一局部河段 的河床变形过程 ，探讨 了浅滩段整治 原则及整治工程 的初步布置。谢作涛等 通过建立一般曲线坐标系下的平面二维全沙数学模型，采用 同位网格模拟了沙市河段 的水沙运动及河床变形规律 。但这两个模型都没有考虑二次流运动对弯道水 沙输移的影响。钟德钰等 为考虑弯道环流的输沙效应 ，在泥沙输移方程 中增加 了反映环流的横 向输 沙附加项 ，对现有平面二维水沙数学模型进行 了扩展 ，取得了较好的模拟效果 ，但控制方程 中仍没有考 虑二次流运动的影响。 因此现有平面二维水沙数学模型一般不考虑二次流运动的影 响，而 Delft3D模型在进行二维数值 计算时，既能在水流运动方程中添加二次流影响项 ，又能在泥沙输移方程中添加横向输沙附加项 ，可以 较好地模拟弯道内的水沙输移过程 。故本文 以荆江沙市微弯河段为研究对象，采用 Delft3D模型计算 该河段在不同流量级下的水沙输移特点。计算过程中着重考虑了二次流运动在弯道处的影响作用，并 用实测资料验证了该模型的可靠性。在此基础上 ，对比二维数学模型中考虑二次流项和不考虑二次流 项时计算结果的差别，并分析来流量大小与二次流项影响程度的关系。此外还定量分析了水流运动控 收稿 日期 ：2012—11-14 基金项 目：国家 自然科学基金项 目；国家重点基础研究发展规划(973)资助项 目(2012CB417001) 作者简介 ：邓春艳(1988一)，女 ，硕士研究生，主要从事水力学及河流动力学研究 。 通讯作者 ：夏军强。E—mail：xiajq@whu．edu．cn 27 制方程 中二次流附加应力项 、水面比降项及 阻力项的相对大小及其对弯道水沙输移的影响。 2 计算模型 本文模拟弯曲河段水沙输移过程所采用 的Delft3D模 型，具有如下特点 ：由多个模块组成 ，模块问 联系性强，可用于模拟二维或三维非恒定水沙输移及河床冲淤过程 ；数值格式采用交错网格下的ADI 时间积分法，计算稳定且精度较高等 。天然弯道内的水沙运动具有很强 的三维特