01 概要

雖然在具有規(guī)則幾何形狀的明渠中，二次流的識(shí)別可能是明確直接的，但是在邊界松散和不規(guī)則的自然河道，情況并非如此。事實(shí)上，由于平面形狀不斷變化，河床地形多變，天然曲流河道的水動(dòng)力學(xué)相當(dāng)復(fù)雜。流場(chǎng)是三維的并且會(huì)在蜿蜒流的每個(gè)截面中產(chǎn)生橫向流動(dòng)。

本文用TELEMAC-3D簡(jiǎn)要分析了在阿根廷Colastiné河出口處測(cè)得的橫流特性，該處水流分為兩條幾乎成T形的分流。本文報(bào)告了使用兩個(gè)聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）在研究場(chǎng)地捕獲的橫流數(shù)據(jù)與用不同復(fù)雜程度模型獲得的數(shù)值解的比較結(jié)果。

02 模擬方法

幾何模型：計(jì)算域的各種數(shù)據(jù)由現(xiàn)場(chǎng)采集得到。建模時(shí)，計(jì)算域的數(shù)字地形模型（DTM）表示河床裸露表面，在河床和河岸高程數(shù)據(jù)之間盡量具有平滑過(guò)渡。

有限元模型：有限元法(FEM)被越來(lái)越多地用于研究河流和潮汐流的環(huán)境問(wèn)題，原因之一是它能夠以高精度簡(jiǎn)化邊界條件、底部地形和幾何復(fù)雜區(qū)域的處理。首先將二維區(qū)域劃分成不重疊的線性三角形，然后沿豎直方向?qū)⒚總€(gè)三角形擠壓成與底面和自由面完全匹配的線性棱柱體，得到三維有限元網(wǎng)格。計(jì)算域由非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)絡(luò)離散，網(wǎng)格由99345個(gè)棱柱體組成。

在TELEMAC 3D中有多種湍流閉合模型。這里采用了兩種不同的湍流閉合模型進(jìn)行計(jì)算。

邊界條件規(guī)定如下：在流入邊界處，通過(guò)施加速度分布來(lái)規(guī)定所有流動(dòng)分量；在出口邊界處，所有變量的法向梯度設(shè)置為零。流入流量為2416m3/s，出口邊界表面高度設(shè)定為13m。

時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.1s。初始條件包括水表面高度13m和速度分量為0。大約在10萬(wàn)個(gè)時(shí)間步之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)應(yīng)約2小時(shí)45分物理時(shí)間。

03 模擬結(jié)果

實(shí)測(cè)各截面（XS）的數(shù)值模擬結(jié)果如下圖所示，沿著船道順流方向各截面依次編號(hào)為XS-0到XS-5。

河道分流段的特征是河床地形的強(qiáng)烈不對(duì)稱性，因此其流動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性應(yīng)該表現(xiàn)出加速、停滯和流動(dòng)偏轉(zhuǎn)等特征，這些特征在數(shù)值模擬結(jié)果中很好地表現(xiàn)了出來(lái)。自由表面速度應(yīng)用不同復(fù)雜程度模型的計(jì)算結(jié)果如下圖所示。

在下圖中可以得到對(duì)復(fù)雜流動(dòng)模式的進(jìn)一步了解，其中分離區(qū)的形成使水流在航道入口處偏向左岸。

下面兩張圖片分別是使用Sontek聲學(xué)多普勒流速剖面儀和TRDI聲學(xué)多普勒流速剖面儀對(duì)XS-3截面實(shí)測(cè)記錄的橫向流速。

下圖顯示了應(yīng)用各模型計(jì)算得到的XS-2截面的二次流模式。不同的模型的計(jì)算結(jié)果沿著流向速度的垂直方向分布有一些變化。XS-2截面的數(shù)值模擬結(jié)果顯示了從外到內(nèi)的橫向方向上的凈單向流動(dòng)分量，這是由質(zhì)量守恒引起的，以補(bǔ)償彎道內(nèi)部區(qū)域的流動(dòng)加速度。

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