摘要
多级丁坝在航道整治工程中应用较为广泛，但是关于其水力学特性的研究却比较少。本文主要通过水槽物理实验和数值模拟相结合的方法，在180°U型弯道水槽中放置不同类型的多级丁坝，研究丁坝形状改变、多级丁坝第一级和第二级丁坝长度改变、丁坝级数改变对弯道水流的影响。在水槽物理实验中，使用粒子图像测速仪(Particle Image Velocimetry，PIV)和超声波水位计在弯道典型断面进行测量，得到弯道内测量断面的流速、水位数据，通过ORIGIN和MATLAB软件对实验数据进行后处理，分析了弯道内自由水面沿程变化、水面横比降、水面纵比降、弯道沿程流速、典型横断面流速沿程变化。在数值模拟中，使用ICEM CFD软件建立与物理模型尺寸相同的三维数值模型并进行六面体结构化网格划分，采用ANSYS FLUENT软件设置求解条件进行求解计算，并利用TECPLOT、CFD-POST软件对数值模拟结果进行后处理，同时将数值模拟结果与试验测量结果进行对比验证，最后分析了弯道内流速、湍流动能和坝后回流尺度的分布和变化规律，主要的研究成果和结论如下: (1)无丁坝时，弯道凹凸两岸沿程水位变化比较缓和，且凹岸水位大于凸岸水位;当弯道放置丁坝后，不同工况对弯道凹岸水流的影响主要集中在弯道处。在一定范围内，丁坝级数的变化仅对弯道凸岸下游产生影响，且丁坝级数越少，水位越高。 (2)单级丁坝和二级丁坝对弯道水面沿程横比降的影响在上游和下游相反;随着第二级丁坝长度的增加，坝下游处其横比降均值也在增大;随着多级丁坝级数的增加，其横比降沿程变化趋势几乎不变，横比降均值有所增加。 (3)无丁坝时弯道内凹凸两岸沿程纵向流速呈现交替变化，且凸岸流速明显大于凹岸;从单级丁坝到二级丁坝，其凹凸两岸纵向流速变化趋势基本相同;当第二级丁坝长度减少时，其对弯道水流的影响主要在凹岸;随着多级丁坝级数的增加，其对弯道两岸纵向流速的影响基本相同，且都呈现交错分布。 (4)在弯道中放置单级丁坝后，其能够有效降低弯道凹岸的流速，增大弯道凸岸的流速，从而避免了水流对弯道凹岸的冲刷和在凸岸处形成泥沙淤积。相比于单级丁坝，二级丁坝能够增加水流对凸岸泥沙的冲刷范围，但是减小了水流对泥沙的冲刷能力。随着第二级丁坝长度的减小，其对弯道凸岸泥沙的冲刷范围增大，冲刷能力减小。随着多级丁坝级数的增加，其对弯道凸岸泥沙的冲刷范围减小，冲刷能力有所增大。 (5)在近底面和中上截面处，随着第二级丁坝长度的增加，湍动能的最大值先减小后增大;自由水面处，湍动能的最大值则先增大后减小。在近底面处，随着第一级丁坝长度的增加，湍动能的最大值先增大后减小;在中上截面和自由水面处，第一级丁坝长度增加时，湍动能的最大值逐渐减小。 (6)随着第二级丁坝长度的增大，回流长度和最大回流宽度逐渐减小;随着第一级丁坝长度的增大，在近底面和中上截面处，回流长度和最大回流宽度先增大后减小，在自由水面处则先减小后增大。
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