基于数值模拟的矩形明渠床面切应力分析
作者:黄宇航; 周晓泉; 周文桐; 姚畅; 周芳龄
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河流流量受切应力边界的影响。切应力的过度边界将导致河岸被侵蚀,降低河岸的稳定性,并通过影响沉积物的沉积和运输而导致河流形态的变化。探索河流边界就是探索河流中的水流状态和结构特征。由于影响河流边界的因素众多且复杂,本文去除了各种不确定因素,通过数值软件建立了二维矩形直槽水流模型,并利用相似理论对矩形直槽模型进行了缩尺试验。对五尺度均匀流直槽模型的流动进行了数值模拟。由于五组直槽明渠模型模拟结果的统一水位流量关系与曼宁公式推导的水位流量关系高度一致,可以认为模型模拟的参数是真实可靠的。根据非均匀流的情况,本文通过“下均匀流”和“超均匀流”的概念,对9组直线模型的非均匀流进行了分析,利用动量定理对非均匀流直道中心处相同间隔的101个点进行了分析,取每两个点之间切应力的平均值,然后将所有点的阻力求和,以近似沿途河床阻力,大大减少水位波动等不确定因素造成的误差影响。推导了切应力的一般床层公式。该公式表明,无论矩形明渠中的水流是否均匀,都可以通过水深h、流速u和曼宁糙率系数n三个参数来计算河床,发现本文公式不仅符合动量定理,而且具有物理意义。与以往常用的方法相比,该研究结果更简单,可以将复杂的水动力问题(求解偏微分方程问题)转化为简单的代数问题。