弯道明渠多环流三维结构动力演化机理研究

The operation of the large reservoir reduces the total volume of coming sediment in the downstream reach, which causes a series of atypical fluvial process to happen and has negative effect on the river resources utilization. The circulation structure, particularly the secondary flow induced by the sectional boundaries, is the key to grasp the law of the fluvial process under new water and sediment condition..The flow structure in the bend has complicated three-dimensional characteristics. The multi-circulation (one central circulation and boundary secondary flow) simultaneously exist in the cross-section and influence the flow structure directly. However the mechanics of the interactions among the multi-circulations are not well understood, which makes explaining the atypical fluvial process theoretically difficult. Therefore, we combine the methods of the theoretical analysis and flume experiment and find out the flow resistance law of the bend river under the anisotropic turbulence. Then the interactions among the multi-circulation and their dynamic evolution processes can be explained theoretically. Meanwhile, the response mechanism of the turbulent energy, mainstream and cross-sectional circulations can be obtained, which can promote the development of the bending river dynamics. This study also can provide theoretical support to river realignment engineering under new water and sediment condition.

大型水库的蓄水运行对河流径流产生巨大的调节作用，减少了坝下游的来沙总量，进而诱发了一系列非典型河流演变，并由此衍生出碍航、崩岸等诸多河流问题。为应对新水沙形势下非典型河流演变，弯道环流结构尤其是边壁环流再一次成为研究重点。.弯曲河段内水流运动具有特殊的三维结构，受到不同属性边壁条件的限制，断面表现出中心环流及边壁环流并存的多环流结构，直接影响弯道主流运动。然而，该方面机理性研究的明显不足制约着理论研究的进展。本项目结合理论分析与水槽实验，对弯道明渠断面内多环流结构动力演化机理开展研究。分析弯曲边界影响下断面分区阻力规律，从机理上阐述断面多环流间相互作用的动力演化过程及由此带来的主流三维重分布现象，同时从微观尺度上分析紊流各向异性对能量横向输移产生的影响。其研究成果能够揭示弯曲型河流水流结构动力演化的内在机理，推动弯曲型河流动力学理论研究发展，为新一轮治河工程提供理论支撑。

大型水库蓄水运行对河流径流产生巨大的调节作用，减少了坝下游的来沙总量，受断面内大尺度环流影响诱发了一系列非典型河流演变，由此衍生出碍航、崩岸等诸多河流问题。为应对新水沙形势下非典型河流演变，本项目采用理论分析与水槽实验相结合的技术手段进行研究，开展以下研究：建立弯道明渠水流运动三维耦合理论模型，为求解河流基本河势单元水沙运动提供理论基础。弯道明渠流动“速度下沉现象”具有三维性，自由表面的约束作用使得纵向流速最大值及断面中心环流涡核位置均向床面下沉。窄深断面促进了明渠自由表面环流强度，与速度下沉幅度正相关；弯曲边界使得断面水面线发生重分布，凹岸侧水面抬升使该侧自由表面环流强度增大，对断面中心环流产生附加挤压作用，使得“速度下沉”的同时伴随横向偏移。开展典型弯道明渠水槽试验，指出三维水流结构与边界条件逐渐适应，断面中心环流出现于水流入弯断面，后随水面线调整与环流间相互挤压作用先后出现凹岸自由水面处反向次生环流与凸岸自由水面同向次生环流，断面构成多环流结构。受到断面中心环流牵引断面核心流速区向凹岸发展，反向次生环流对该发展起到抑制作用并形成断面缓流区，断面核心流速区随着多环流结构的沿程演变而发生沿程摆动。纵向流速紊动强度受核心流速摆动及环流作用共同影响，沿垂线出现明显重分布，并以纵向流速紊动强度作为指标量对具有各向异性的紊动断面进行水力分区。通过建立考虑双向暴露度的弯道床面泥沙滚动起动理论模型，配合弯道内大粒径非均匀卵石床面清水冲刷试验反映了断面多环流作用下断面内能量横向输移带动床面非均匀泥沙具有二维分选特性。弯道弯曲度的增大加强了断面横向能量输移强度，床面表现为泥沙颗粒异岸输沙趋势及可起动泥沙粒径分布的非均匀程度增加；断面深宽比的增大，对凹岸反向次生环流强度具有激励作用，制约了断面中心环流诱发的横向能量输移，床面表现为断面主输沙区域逐渐收缩。