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丁坝区的三维流场研究作者：应利涛来源：《价值工程》2019年第26期摘要：本研究使用三维计算流体力学软件 FLUENT 模拟渠道内流经两支丁坝的流况，借由软件模拟流场特性，了解三维流场分布及涡度分布情形。
研究案例依照丁坝长度、丁坝间距与上游流量不同分为三组。
经由模拟回归得到此三项变因与丁坝回流长度及坝间流速的关系式，以供后续实验模拟参考。
Abstract： In this study， FLUENT， a three-dimensional computational fluid mechanics software， was used to simulate the flow conditions of two groynes. The case is divided into three groups according to the length， spacing and upstream flow of the groyne. The relationship between the three variable factors and the backflow length and flow velocity of the dam is obtained by simulated regression for reference in subsequent experiments.关键词：FLUENT;三维流场;丁坝流场Key words： FLUENT;3D flow field;groyne flow field中图分类号：TV863;TV135; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 文献标识码：A; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 文章编号：1006-4311（2019）26-0218-041; 研究目的在工程应用上，丁坝属于常见的水工结构物，但丁坝附近流场是一紊乱的三维流场，过去做过许多研究仅着眼于单一丁坝周围流场行为，鲜少讨论到复数丁坝间交互作用情形。
深水航道整治中新型结构淹没丁坝水流力特性研究蔡喆伟;夏云峰;徐华;闫杰超【期刊名称】《水利水运工程学报》【年(卷),期】2018(000)003【摘要】为研究新型结构淹没丁坝的水流力特性,基于有限体积法与自由液面捕捉法,通过流体计算软件Fluent建立三维数学模型对不同流速、水深与坝长条件下新型结构齿形丁坝的水流力特性进行研究.同时,设计了比尺为1 ∶ 50的物理模型对不同坝长条件下新型结构丁坝水流力进行补充验证,数值模拟结果与试验结果符合良好.研究不仅得到了丁坝流场流速与水深的分布规律,同时分析了不同流速、水深与坝长条件下新型结构齿形丁坝的水流力响应规律,进而通过量纲处理分析了相对坝长与淹没度对水流力系数的响应规律,通过独立化分析的方法分别探讨了相对坝长与淹没度对丁坝水流力系数的敏感性.研究成果为新型淹没丁坝在长江南京以下12. 5 m深水航道整治工程的应用提供一定的技术支撑与科学指导.【总页数】8页(P16-23)【作者】蔡喆伟;夏云峰;徐华;闫杰超【作者单位】南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210029;南京水利科学研究院港口航道泥沙工程交通行业重点实验室,江苏南京 210029;南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210029;南京水利科学研究院港口航道泥沙工程交通行业重点实验室,江苏南京 210029;南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210029;南京水利科学研究院港口航道泥沙工程交通行业重点实验室,江苏南京 210029;南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210029;南京水利科学研究院港口航道泥沙工程交通行业重点实验室,江苏南京 210029【正文语种】中文【中图分类】U656.2【相关文献】1.淹没双丁坝间水流结构特性PIV试验 [J], 刘易庄;蒋昌波;邓斌;王刚2.非淹没丁坝附近三维水流运动特性的研究 [J], 周宜林;道上正规;桧谷治3.勾头长度对非淹没丁坝周围水流特性的影响 [J], 胡旭跃;杨陆鑫;沈小雄;陈健强;许足怀;钟佳昌4.深水航道整治中新型结构淹没丁坝与水流相互作用 [J], 夏云峰;蔡喆伟;徐华;闫杰超5.淹没阶梯形丁坝水流结构PIV试验研究 [J], 王世鹏;钟亮;廖尚超;邓晓龙因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
土坝溃决跌坎水流水动力特性数值模拟祝龙;周冬卉;李云;宣国祥;王晓刚【摘要】The dam-break process of clay soil dam under overtopping condition,related to multi-disciplines,is very complex.Although a large number of domestic and foreign physical model test results show that the headcut erosion caused by overtopping is the main breach process of most clay soil dams,the micro mechanism between water flow and dam body in the form of erosion is still not clear.The water flow plays a leading role in the development of dam break as it's the active force during overtopping failure.In the study,3D numerical simulation research is carried out on the representative flow structure-the headcut flow,by using the RNG k-ε turbulence model and the volume of fluid (VOF) method.The flow structure,flow pattern and hydraulic characteristics of the dam headcut are analyzed in detail.Also,the distributions of shear stress and flow velocity in different working conditions are revealed.By using the research results,the analysis of the forces on dam body can be carried out from the point of view of hydrodynamics.The main way of all-level headcuts merged is inferred initially.The research results can help to make a clear understanding of the dam-break process.%黏性土坝漫顶溃决涉及多学科交叉,过程极其复杂,尽管国内外大量物理模型试验成果表明其溃决多以“跌坎式”溯源冲蚀为主要特征,然而对该冲蚀发展形式下的水流-坝体微观作用机制尚不清晰.水流作为漫顶溃决的冲刷主动力,对坝体溃决发展起着主导性作用,采用RNG k-ε紊流模型和VOF自由液面捕捉技术针对黏性土坝漫顶溃决代表性水流结构——溃决跌坎水流开展了三维数值模拟研究,对跌坎水流的水流结构、流态、水力特性指标等进行了细致分析,揭示了不同工况下坝体跌坎上的剪切应力、流速分布规律,进而从水动力学的角度对坝面进行受力分析,初步推断了黏性土坝漫顶溃决过程中各级跌坎的主要合并方式为“台阶水平面刷深下切”.研究成果为进一步掌握黏性土坝漫顶溃决发展演变机理提供了理论基础.【期刊名称】《水利水运工程学报》【年(卷),期】2017(000)005【总页数】8页(P1-8)【关键词】黏性土坝;漫顶;跌坎水流;水动力特性;数值模拟【作者】祝龙;周冬卉;李云;宣国祥;王晓刚【作者单位】南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210029;南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210029;南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210029;南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210029;南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210029【正文语种】中文【中图分类】TV871截至2011年底，我国已建成各类水库大坝98 002座[1]，是当今世界拥有水库大坝最多的国家。
正态曲面丁坝三维水流数值模拟孙志林;於刚节;许丹;马国淇【摘要】针对丁坝周围流动呈强三维紊流特征,相应坝头局部床面不可避免地产生冲刷坑,严重时导致丁坝水毁的问题,提出正态曲面形式的新型丁坝结构,可以优化丁坝周围水流结构,减小坝头局部冲刷.基于三维数值模拟研究新型丁坝的水动力特性.结果表明,与梯形丁坝相比,正态曲面丁坝可以起到平顺水流、减少剧烈紊动和增大过流面积的作用,避免流线过度弯曲和集中,减小丁坝周围的涡量强度,在一定程度上减弱坝头水动力.坝头曲面能够削弱坝头下潜流的冲刷作用,降低坝头局部冲刷深度,利于丁坝稳定.【期刊名称】《浙江大学学报（工学版）》【年(卷),期】2016(050)007【总页数】5页(P1247-1251)【关键词】正态曲面;丁坝;三维水流【作者】孙志林;於刚节;许丹;马国淇【作者单位】浙江大学港口海岸及近海工程研究所,浙江杭州310058;浙江大学港口海岸及近海工程研究所,浙江杭州310058;浙江大学港口海岸及近海工程研究所,浙江杭州310058;浙江大学港口海岸及近海工程研究所,浙江杭州310058【正文语种】中文【中图分类】TV863丁坝是航道整治与维护工程中广泛应用的一种水工建筑物,可以起到束窄水流,冲深河槽的作用,同时能够减弱岸边流速,保护河岸免受冲刷[1].丁坝会改变流向,迫使水流绕过坝头,局部地改变了流动形态.同时,丁坝使河道流线集中,自坝头至坝后产生分离涡,呈强三维紊流特征,在绕流和马蹄涡作用下坝头床面形成局部冲刷坑,易诱发丁坝水毁.人们采取各种措施,如合理设置丁坝坝长、坝高、间距、挑角等[2-8],以最大限度地防护河岸和改善通航条件.有些学者在坝体结构形式方面开展了研究,试图平顺坝头水流,减少局部冲刷.Uijttewaal[9]提出上半部分为常规丁坝,下半部分为透水桩坝的组合式丁坝；周银军等[10]研究桩式透水丁坝水流及冲淤特性,发现透水丁坝在自身防护和保护范围两方面均优于普通不透水丁坝；丁晶晶提出台阶式的新型丁坝结构,对该结构的水动力特性及防冲效应进行研究[11],台阶式坝头能够逐级分散集中绕流,将大流速和大涡量强度区外移,利于丁坝稳定；邓年生[12]结合天然水流的自然特性,提出一种空间流线型的丁坝结构,节省了工程费用,整治效果也更好.对于以防护河岸为主要目的的丁坝,其发生水毁后,容易导致河岸受水流冲蚀淘刷.为了保证河岸防护效果,并减少坝头局部冲刷,本文提出新型的丁坝结构形式,即正态曲面丁坝,并通过数值模拟的方法,研究新型丁坝附近的水动力特性.1.1 控制方程对于丁坝周围强三维紊流运动,宜采用雷诺平均的连续性方程和动量守恒方程：式中：t为时间,xi(i=1,2,3)为坐标轴x、y、z方向上的坐标分量,ui(i=1,2,3)为xi轴向上的速度分量,p为压力,ρ和μ为流体的密度和动力黏性系数.式(2)中右手第3项为紊动应力梯度,需要紊流模型加以封闭,本文采用RNG k-ε二方程紊流模型,形式如下：，.式中：k为紊动能,为耗散率；μeff=μ+μt,其中μt为动力涡黏系数,μt=ρCuk2/ε；Gk为平均速度梯度产生的湍流动能；αk、αε分别为k、ε对应的Prandtl数,αk=αε=1.39；系数,其中Eij为主流的时均应变率,Eij=(∂Ui/∂xj+∂Uj/∂xi)/2,η0=4.377,β=0.012[13].1.2 自由水面处理采用VOF法处理自由水面的基本思想如下：在网格单元中定义水的体积比函数F∈[0,1][14],F=0说明该单元全为气体,F=1表示单元充满水体,当0<F<1时,该单元包含两相交界面-自由水面.定义函数αw和αa,分别代表单元内水和气所占的体积分数,满足连续关系αa+αw=1.αw可以通过下面的连续方程来求解：αw的梯度可以确定自由水面的法线方向,计算出αw后,可以确定各网格中自由水面的近似位置.VOF的k-ε模型与单相的k-ε模型在形式上完全一致,只是在密度ρ和黏性系数μ的表达式上有细微不同.两者都是通过单元的体积分数作加权平均后给出,即两个值都是体积分数的函数而不是单相流模型中的常数,具体形式如下：式中：ρw与ρa分别为水和空气的密度,μw与μa分别为水和空气的黏性系数.采用Tmoinaga和Chiba的实验数据[15]进行验证,试验水槽及丁坝示意图如图1所示.设x轴为沿水流方向,y轴为横断面方向,z轴为沿水深方向.水槽长度为8 m,宽0.3 m,丁坝位于x=4 m的位置,长0.15 m,宽0.03 m,高0.05 m.体积流量为3.6×10-3 m3/s,水深约为0.09 m.验证模型选取了从x=3 m到x=6 m的水槽区域,并在模型上方增加了空气区域,计算域尺寸为3 m×0.3 m×0.18 m,网格数为150×16×22,时间步长为0.02 s,在丁坝附近及近壁面处对网格进行加密.分别取x=4.0 m,z=0.07 m；x=4.1 m,z=0.01 m；x=4.05 m,z=0.02 m；x=4.05 m,z=0.07 m处的4条验证线为dir.1、dir.2、dir.3、dir.4,流速分布的计算结果与实测数据比较见图2、3.图中,v为速度，vm为时均流速.由流速对比图可以看出,数值模拟结果与实验数据在数值和断面分布上都比较吻合,模拟效果良好,说明该模型是可靠的,可以用于新型丁坝附近的流场计算与分析.丁坝的种类形式繁多,有梯形坝、直立坝、勾头坝等,而梯形坝在实际工程中应用最多,因此选取梯形丁坝和正态曲面丁坝进行计算分析.两种丁坝的计算模型与网格如图4所示.梯形坝高0.05 m,坝上底和下底轴线长为0.05和0.12 m,上、下游边坡坡度为1∶0.8,坝头坡度为1∶1.4；新型丁坝模型符合双变量正态曲面函数(坝高0.05 m,σx=2,σy=6, 底面尺寸为0.1 m×0.15 m).3.1 流速分布图5、6给出两种丁坝周围的近底流速分布.可见,梯形丁坝和正态曲面丁坝附近均存在集中绕流现象,相比之下,正态曲面丁坝坝头绕流较弱,大流速区域(v>0.14 m/s)的面积减小了约75%.这是由于新型丁坝采用流线型的正态曲面设计,不但增大了过流面积,同时使水流相对平顺的通过坝体,避免了梯形丁坝坝头处水流突然聚集的现象.3.2 坝头下潜流两种丁坝周围下潜流的分布如图7、8所示.图中,虚线表示坝面范围.由图7、8可见,正态曲面丁坝迎流面将坝前来流上挑越过丁坝,坝前出现较大面积的上升流,坝后下潜流的大流速区主要集中在坝面上,因而不会对坝头产生直接冲刷.梯形丁坝的下潜流大流速区延伸较长,绕过坝头至后方直冲床面,容易产生显著的局部冲刷.从丁坝中心断面流速矢量图(见图9)可以看出,正态曲面丁坝由于前端与床面相切,下潜流角度较梯形丁坝要缓得多,这避免了坝头水流直接冲击床面,起到减少局部冲刷的作用.3.3 坝头涡量强度坝头的漩涡对冲刷坑的形成有重要作用,漩涡的强弱可以用涡量强度Ω来反映.计算给出两种丁坝坝面及附近床面的涡量分布.如图10、11所示,正态曲面丁坝坝头附近的涡量强度大幅减小,强涡量的范围相应减小,其中最大涡量强度减小了将近40%,效果十分明显.这主要是由于坝面的流线型设计,使坝头集中绕流减弱,流速梯度相应减小,从而削弱了坝头漩涡产生的条件.本文首次提出新型的正态曲面丁坝结构,旨在保证河岸防护效果的前提下,优化丁坝附近水流结构、减少坝头局部冲刷.基于三维数值模拟分析新型丁坝周围的水动力特性.结果表明,流线型的正态曲面可以平顺坝面水流、减少剧烈紊动并增大过流面积,使水流平缓地流过坝体,从而减弱了集中绕流,坝头附近的大流速区面积和涡量强度相应大幅减小.尤其是流线型坝面可以避免下潜流直冲床面,大大降低冲刷作用,致使最大局部冲刷深度明显减小.该新型曲面丁坝对河岸防护和河口治理具有重要的应用价值.本文初步研究了正态曲面丁坝周围的水动力特性,为之后的工作奠定了基础.正态曲面丁坝坝面由双变量正态曲面函数决定,在具体形态上可变可调,所以有必要在后续研究中针对实际的河道情况对不同条件、不同形式下的坝体进行计算,并对曲面形式进行分析优化,同时辅以相应的物理模型实验,使该研究结果能够具有更好的普适性,从而很好地应用于工程实际.【相关文献】[1] 应强,焦志斌. 丁坝水力学[M]. 北京：海洋出版社,2004．[2] GARDE R J, SUBRAMANYA K S, NAMBUDRIPAD K D. Study of scour around spur-dikes [J]. Journal of the Hydraulics Division, 1961, 87(6): 23-37．[3] ROGER A K, CARLOS V A, DOUGLAS S J F. Local scour associated with angled spur dikes [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2002, 128(12): 1087-1093．[4] FAZLI M, GHODSIAN M, NEYSHABOURI S A A S. Scour and flow field around a spur dike in a 90 bend [J]. International Journal of Sediment Research, 2008, 23(1): 56-68．[5] ELAWADY E, MICHIUE M, HINOKIDANI O. Movable bed scour around submerged spur-dikes [J]. 水工学論文集, 2001(45): 373-378．[6] VAGHEFI M, GHODSIAN M, NEYSHABOORI S A A S. Experimental study on the effect of a T-shaped spur dike lengthon scour in a 90 channel bend [J]. Arabian Journal for Science and Engineering, 2009,34(2): 337．[7] OHMOTO T, HIRAKAWA R, KOREEDA N. Effects of water surface oscillation on turbulent flow in an open channel with a series of spur dikes [J]. Hydraulic Measurements and Experimental Methods, 2002: 108-117．[8] YAZDIA J, SARKARDEHB H, AZAMATHULLAC H M D, et al. 3D simulation of flow around a single spur dike with free-surface flow [J]. International Journal of River Basin Management, 2010, 8(1): 55-62．[9] UIJTTEWAAL W S J. Effects of groyne layout on the flow in groyne fields: laboratory experiments [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2005, 131(9): 782-791．[10] 周银军, 刘焕芳, 何春光, 等. 透水丁坝局部冲淤规律试验研究[J]. 水利水运工程学报, 2008(1): 57-60．ZHOU Yin-jun, LIU Huan-fang, HE Chun-guang, et al. Experimental study on local scour and silting around permeable spur [J]. Hydro-Science and Engineering, 2008(1): 57-60．[11] 丁晶晶, 陆彦, 陆永军. 台阶式丁坝水动力特性及防冲效应[J]. 水利水运工程学报, 2014(5): 67-74．DING Jing-jing, LU Yan, LU Yong-jun. Hydrodynamic characteristics of a new type of spur dike with stepped head [J]. Hydro-Science and Engineering, 2014(5): 67-74．[12] 邓年生. 一种浅滩整治新方法：空间流线型设计法[J]. 水运工程, 2005(6): 96-98．DENG Nian-sheng. A new method for shoal regulation: space streamline design [J]. Port and Water Engineering, 2005(6): 96-98．[13] RAHIMZADEH H, MAGHSOODI R, SARKARDEH H, et al. Simulating flow over circular spillways by using different turbulence models [J]. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 2012, 6(1): 100-109．[14] HIRT C W, NICHOLS B D. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries [J]. Journal of Computational Physics, 1981, 39(1): 201-225．[15] TOMINAGA A, CHIBA S. Flow structure around a submerged spur dike[C]∥Proceeding of Annual Meeting of Japan Society of Fluid Mechanics. Tokyo: [s. n.], 1996: 317-318．。
梯形透水潜坝三维水流特性的数值模拟王小明;程永舟;常留红;徐斌【摘要】基于OpenFOAM开源程序包,对4种透空率(0.1、0.2、0.3和0.4)潜坝的三维流场进行数值模拟,研究了透空率和流量对透水潜坝周围三维水流特性的影响规律.结果表明:相同流量条件下,随着透空率增大,坝后回流减弱,上升流高度降低,缓流区范围减小,涡量减小,坝体腔内及坝后透水圆孔附近紊动能增大;相同透空率条件下,随着流量增大,坝后缓流区范围增大,回流逐渐减弱,掺混紊动作用加剧,涡量及紊动能的大小和影响范围也逐渐增大.%Three-dimensional flow fields of submerged dams with four permeable rates (0. 1, 0. 2, 0. 3, and 0. 4) were numerically simulated based on the OpenFOAM open source package, and the influence of the permeable rate and discharge on the three-dimensional flow characteristics around permeable submerged dams was examined. The results show that, under constant discharge conditions, with the increase of the permeable rate, the reflux behind the dam is weakened; the upwelling height, the range of the slow-flow area, and the vorticity decrease; and the turbulent kinetic energy in the dam and near the permeable circular hole behind the dam increases. Under constant permeable rate conditions, with the increase of the discharge, the range of the slow-flow area behind the dam increases, the reflux is gradually weakened, the mixing is aggravated, and the vorticity and turbulent kinetic energy as well as their influence ranges increase.【期刊名称】《水利水电科技进展》【年(卷),期】2017(037)005【总页数】6页(P51-56)【关键词】透水潜坝;透空率;流场;涡量;紊动能;三维水流特性【作者】王小明;程永舟;常留红;徐斌【作者单位】长沙理工大学水利工程学院,湖南长沙 410114;长江航道规划设计研究院,湖北武汉 430011;长沙理工大学水利工程学院,湖南长沙 410114;水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,湖南长沙 410114;长沙理工大学水利工程学院,湖南长沙 410114;水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,湖南长沙 410114;长沙理工大学水利工程学院,湖南长沙 410114【正文语种】中文【中图分类】TV865潜坝附近的流场、涡量、紊动能等三维水流特性[1]是潜坝结构设计及优化的关键因素之一。
淹没丁坝群二维水流数值模拟新方法
许慧;李国斌;尚倩倩;张明
【期刊名称】《水科学进展》
【年(卷),期】2014(25)3
【摘要】为模拟淹没丁坝群平面二维水流运动,提出了淹没丁坝群二维水流数值模拟新方法并建立了数学模型。
新方法的主要实施方案:①将丁坝视为无厚度坝,用网格线概化丁坝;②采用新的网格节点布置形式,即水深、流速节点布置于网格界面上,水位节点布置于网格中心,有别于一般交错网格节点布置。
模型采用基于结构网格下的有限体积法对方程组进行离散,同时将淹没丁坝坝顶水深代入离散方程中进行求解。
采用已有的水槽试验资料,进行了初步验证,模拟了长江下游东流水道已建丁坝群工程实施后河道的流场和水位场,结果表明计算和实测符合较好。
【总页数】7页(P407-413)
【关键词】淹没丁坝群;二维水流;模拟;紊流
【作者】许慧;李国斌;尚倩倩;张明
【作者单位】南京水利科学研究院;长江航道规划设计研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TV131.4
【相关文献】
1.淹没丁坝平面二维水流数值模拟研究 [J], 黄文典;李嘉;李志勤
2.沿河公路丁坝群水毁防护平面二维水流数值模拟研究 [J], 周美林;肖政;蒋昌波
3.天然河道淹没丁坝群水流计算平面二维流带模型 [J], 李国斌;李昌华
4.淹没丁坝三维水流数值模拟研究 [J], 魏文礼;蔡亚希
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