水庫(kù)異重流的三維數(shù)值模擬及影響因素分析

章若茵，吳保生

（清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

1 研究背景

異重流是兩種比重相差不大的流體，因?yàn)楸戎夭町惗l(fā)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。渾水入庫(kù)形成的泥沙異重流是水庫(kù)中常見的現(xiàn)象，其潛入過(guò)程以及流速與含沙量沿垂向的分布規(guī)律等是水庫(kù)異重流研究的重要內(nèi)容，對(duì)優(yōu)化水庫(kù)調(diào)度、提高水庫(kù)運(yùn)用效益具有重要意義。但由于異重流潛入?yún)^(qū)域的變動(dòng)以及異重流沿庫(kù)底流動(dòng)的特點(diǎn)，在天然水庫(kù)中觀測(cè)完整的異重流潛入以及流速和含沙量的垂線分布較為困難，前人多以水槽試驗(yàn)或數(shù)值模擬的結(jié)果來(lái)探討其分布的規(guī)律。

范家驊［1］、蘆田和男［2］、曹如軒等［3］、方春明等［4］、焦恩澤［5］、李濤等［6］通過(guò)水槽試驗(yàn)、水力分析和數(shù)值計(jì)算等手段對(duì)不同比降、不同粒徑、不同水沙條件下的異重流潛入進(jìn)行研究，分析了潛入點(diǎn)Froude 數(shù)的大小以及潛入水深與流量、含沙量、底坡的關(guān)系。但多數(shù)只分析了潛入水深與潛入點(diǎn)所在位置的流速、含沙量關(guān)系，而董炳江等［7］利用進(jìn)口密度Froude 數(shù)表征入口水流的慣性力與浮力作用之比，受到入口流量和含沙量的影響，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得到潛入水深與進(jìn)口水深之比會(huì)隨著入口Froude 數(shù)的增加而增加的認(rèn)識(shí)。這一變化趨勢(shì)雖然在前人［8］根據(jù)實(shí)測(cè)資料、水槽試驗(yàn)和數(shù)值模型得到的結(jié)論范圍內(nèi)，但缺乏定量描述，且入口Froude 數(shù)變化在0.5 ～8 的范圍內(nèi)，當(dāng)入口Froude 數(shù)在更大范圍內(nèi)變化時(shí)這一關(guān)系是否存在仍不確定。

異……