留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

复式断面明渠流能量及动量校正系数研究

曾诚 邱斐 丁少伟 周婕 徐剑波 王玲玲 尹雨然

曾诚,邱斐,丁少伟,等. 复式断面明渠流能量及动量校正系数研究[J]. 水利水运工程学报,2022(4):46-54. doi:  10.12170/20210705002
引用本文: 曾诚,邱斐,丁少伟,等. 复式断面明渠流能量及动量校正系数研究[J]. 水利水运工程学报,2022(4):46-54. doi:  10.12170/20210705002
(ZENG Cheng, QIU Fei, DING Shaowei, et al. Study on energy and momentum correction coefficients in compound open-channel flows[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(4): 46-54. (in Chinese)) doi:  10.12170/20210705002
Citation: (ZENG Cheng, QIU Fei, DING Shaowei, et al. Study on energy and momentum correction coefficients in compound open-channel flows[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(4): 46-54. (in Chinese)) doi:  10.12170/20210705002

复式断面明渠流能量及动量校正系数研究

doi: 10.12170/20210705002
基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(B200202116,B200204044);国家重点研发计划资助项目(2021YFC3200403);国家自然科学基金资助项目(51879086);中国一冶集团有限公司科研项目(22AQT210861S00)
详细信息
    作者简介:

    曾 诚(1981—),男,四川成都人,副教授,主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail:c.zeng@foxmail.com

    通讯作者:

    周 婕(E-mail:zhoujie@hhu.edu.cn

  • 中图分类号: TV131.2

Study on energy and momentum correction coefficients in compound open-channel flows

  • 摘要: 在复式断面明渠流中,能量及动量校正系数对水力学计算结果的精确性有直接影响。为研究水深比(滩地水深与主槽水深之比)及滩地植被密度对复式断面明渠流能量及动量校正系数的影响,采用基于壁面建模的大涡模拟(WMLES)方法的三维数值模型,对5种水深比和3种植被密度工况进行数值模拟研究。结果表明:由于流速分布不均匀,主槽和滩地的能量及动量校正系数有明显差异,其值均大于1。随着水深比的增大,复式断面的流速分布趋向均匀,能量和动量校正系数随之减小,能量校正系数的变化范围为1.07~1.19,动量校正系数的变化范围为1.03~1.07。此外,随着滩地植被密度的增大,滩地与主槽的流速差值变大,能量和动量校正系数随之增大,能量校正系数的变化范围为1.09~1.59,动量校正系数的变化范围为1.04~1.21。最后,通过回归分析发现能量校正系数与动量校正系数存在线性关系,所得计算式可用于相同工况条件下能量及动量校正系数的预测。
  • 图  1  计算区域示意[17]

    Figure  1.  Schematic diagram of calculation area[17]

    图  2  断面平均流速分布

    Figure  2.  Distribution of average velocity

    图  3  不同水深比下复式断面能量和动量校正系数分布

    Figure  3.  Distribution of correction coefficients of energy and momentum in compound sections with different flow depth ratios

    图  4  能量及动量校正系数随水深比的变化

    Figure  4.  Values of the kinetic energy and momentum coefficients against different flow depth ratios

    图  5  断面深度平均流速分布

    Figure  5.  Average velocity distribution at section depth

    图  6  不同植被密度下复式断面能量和动量校正系数分布

    Figure  6.  Distribution of correction coefficients of energy and momentum in compound sections with different densities of vegetation

    图  7  能量及动量校正系数随植被密度的变化

    Figure  7.  Values of the kinetic energy and momentum coefficients against different densities of vegetation

    图  8  αβ关系分析

    Figure  8.  Relation between α and β

    表  1  计算工况

    Table  1.   Computation conditions

    工况滩槽水深比
    水深植被密度阻力系数 /m−1雷诺数
    弗劳德数
    网格数量
    主槽/m滩地/m主槽滩地
    1 0.10 0.08 0.008 0 0 31 653 0.76 160×100×80 160×100×10
    2 0.17 0.08 0.013 6 0 43 843 0.76 160×100×80 160×100×15
    3 0.25 0.08 0.020 0 0 47 779 0.65 160×100×80 160×100×20
    4 0.50 0.08 0.040 0 0 67 189 0.56 160×100×80 160×100×40
    5 0.75 0.08 0.060 0 0 79 793 0.48 160×100×80 160×100×60
    6 0.50 0.08 0.040 0 0.28 67 112 0.56 160×100×80 160×100×40
    7 0.50 0.08 0.040 0 1.13 67 112 0.56 160×100×80 160×100×40
    8 0.50 0.08 0.040 0 2.26 67 112 0.56 160×100×80 160×100×40
    下载: 导出CSV
  • [1] LUO E C R. Energy and momentum coefficients in straight symmetric compound-channel flows[J]. International Journal of Hydraulic Engineering, 2012, 1(3): 15-20.
    [2] MOHANTY P K, DASH S S, KHATUA K K, et al. Energy and momentum coefficients for wide compound channels[J]. River Basin Management VII, 2013, 172(11): 87-97.
    [3] KESHAVARZI A, HAMIDIFAR H. Kinetic energy and momentum correction coefficients in compound open channels[J]. Natural Hazards, 2018, 92(3): 1859-1869. doi:  10.1007/s11069-018-3285-0
    [4] PANTELAKIS D, HATZIGIANNAKIS E, DOULGERIS C, et al. Calculation of the energy and the momentum coefficients based on measurements in Greek rivers[J]. Modeling Earth Systems and Environment, 2020, 6(2): 1163-1175. doi:  10.1007/s40808-020-00748-3
    [5] PARSAIE A. Analyzing the distribution of momentum and energy coefficients in compound open channel[J]. Modeling Earth Systems and Environment, 2016, 2(1): 15. doi:  10.1007/s40808-015-0054-x
    [6] 陈界仁, 陈国祥. 复杂断面水力计算中的动量校正系数[J]. 河海大学学报,1996,24(4):84-89

    CHEN Jieren, CHEN Guoxiang. The momentum correction coefficient in hydraulic computation with complex river channel[J]. Journal of Hohai University, 1996, 24(4): 84-89. (in Chinese)
    [7] 杨克君, 刘兴年, 曹叔尤, 等. 植被作用下的复式河槽漫滩水流紊动特性[J]. 水利学报,2005,36(10):1263-1268 doi:  10.3321/j.issn:0559-9350.2005.10.022

    YANG Kejun, LIU Xingnian, CAO Shuyou, et al. Turbulence characteristics of overbank flow in compound river channel with vegetated floodplain[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2005, 36(10): 1263-1268. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:0559-9350.2005.10.022
    [8] YANG K J, CAO S Y, KNIGHT D W. Flow patterns in compound channels with vegetated floodplains[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2007, 133(2): 148-159. doi:  10.1061/(ASCE)0733-9429(2007)133:2(148)
    [9] HAMIDIFAR H, OMID M H, KESHAVARZI A. Kinetic energy and momentum correction coefficients in straight compound channels with vegetated floodplain[J]. Journal of Hydrology, 2016, 537: 10-17. doi:  10.1016/j.jhydrol.2016.03.024
    [10] KUBRAK E, KUBRAK J, KICZKO A. Experimental investigation of kinetic energy and momentum coefficients in regular channels with stiff and flexible elements simulating submerged vegetation[J]. Acta Geophysica, 2015, 63(5): 1405-1422. doi:  10.1515/acgeo-2015-0053
    [11] 陈正兵, 江春波. 滩地植被对河道水流影响[J]. 清华大学学报(自然科学版),2012,52(6):804-808

    CHEN Zhengbing, JIANG Chunbo. Effect of floodplain vegetation on river hydrodynamics[J]. Journal of Tsinghua University (Science & Technology), 2012, 52(6): 804-808. (in Chinese)
    [12] 闫静, 唐洪武, 田志军, 等. 植物对明渠流速分布影响的试验研究[J]. 水利水运工程学报,2011(4):138-142 doi:  10.3969/j.issn.1009-640X.2011.04.022

    YAN Jing, TANG Hongwu, TIAN Zhijun, et al. Experimental study on the influence of vegetation on the velocity distribution of open channel flows[J]. Hydro-Science and Engineering, 2011(4): 138-142. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1009-640X.2011.04.022
    [13] STOESSER T, SALVADOR G P, RODI W, et al. Large eddy simulation of turbulent flow through submerged vegetation[J]. Transport in Porous Media, 2009, 78(3): 347-365. doi:  10.1007/s11242-009-9371-8
    [14] NEARY V S. Numerical solution of fully developed flow with vegetative resistance[J]. Journal of Engineering Mechanics, 2003, 129(5): 558-563. doi:  10.1061/(ASCE)0733-9399(2003)129:5(558)
    [15] DUNN C, LOPEZ F, GARCIA M. Mean flow and turbulence in a laboratory channel with simulated vegetation[R]. Illinois: University of Illinois at Urbana-Champaign, 1996.
    [16] TOMINAGA A, NEZU I, EZAKI K, et al. Three-dimensional turbulent structure in straight open channel flows[J]. Journal of Hydraulic Research, 1989, 27(1): 149-173. doi:  10.1080/00221688909499249
    [17] 曾诚, 丁少伟, 周婕, 等. 基于WMLES方法的复式断面明渠三维紊流数值模拟[J]. 水利水电科技进展,2020,40(6):17-22

    ZENG Cheng, DING Shaowei, ZHOU Jie, et al. A three-dimensional numerical simulation based on WMLES for compound open-channel turbulent flows[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2020, 40(6): 17-22. (in Chinese)
    [18] 丁少伟. 复式断面明渠流水动力特性大涡模拟研究[D]. 南京: 河海大学, 2021.

    DING Shaowei. Investigation on hydrodynamic characteristics of compound open-channel flows using large eddy simulation[D]. Nanjing: Hohai University, 2021. (in Chinese)
    [19] 梁爱国, 槐文信. 复式断面明渠二次流的数值模拟[J]. 应用基础与工程科学学报,2008,16(2):296-304 doi:  10.3969/j.issn.1005-0930.2008.02.018

    LIANG Aiguo, HUAI Wenxin. The predictions of the secondary currents in compound open-channel flows[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2008, 16(2): 296-304. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1005-0930.2008.02.018
  • [1] 封陈晨, 王志亮, 王浩然, 王昊辰.  含裂隙大理岩压缩破坏和能量特征颗粒流模拟 . 水利水运工程学报, 2022, (): 1-10. doi: 10.12170/20220112001
    [2] 谢晓云, 韩东睿, 林颖典.  层结环境下刚性植被群对异重流影响的数值模拟 . 水利水运工程学报, 2022, (1): 77-88. doi: 10.12170/20210129003
    [3] 刘建华, 杨中华, 李达, 李明.  考虑底部过流的透水框架群阻力系数研究 . 水利水运工程学报, 2020, (2): 73-78. doi: 10.12170/20190216001
    [4] 王俊杰, 卢孝志, 邱珍锋, 梁越.  粗粒土渗透系数影响因素试验研究 . 水利水运工程学报, 2013, (6): 16-20.
    [5] 姬昌辉, 洪大林, 丁瑞, 申霞.  含淹没植被明渠水位及糙率变化试验研究 . 水利水运工程学报, 2013, (1): 60-65.
    [6] 钱文勋,张燕迟.  大坝混凝土早期热膨胀系数试验研究 . 水利水运工程学报, 2010, (3): -.
    [7] 假冬冬,邵学军,周刚.  大系数法与壁函数结合在丁坝绕流三维数值模拟中的应用 . 水利水运工程学报, 2008, (1): 36-41.
    [8] 陈长英,张幸农.  滩槽复式断面水流特性的试验研究 . 水利水运工程学报, 2004, (3): 28-32.
    [9] 石月珍,黄本胜,周著.  滩地种树的复式断面河渠水流归槽长度计算 . 水利水运工程学报, 2003, (4): 53-56.
    [10] 李定方,鄢俊,陈平.  岩体裂隙传导系数研究 . 水利水运工程学报, 1999, (4): 309-316.
    [11] 夏云峰,孙梅秀,李昌华.  用水深平均k-ε紊流模型计算淹没丁坝流场 . 水利水运工程学报, 1993, (2): -.
    [12] 杨代泉,沈珠江.  非饱和土孔隙压力系数研究 . 水利水运工程学报, 1992, (3): -.
    [13] 郑国芳.  一种确定侧向受载桩地基抗力系数的方法 . 水利水运工程学报, 1989, (3): -.
    [14] 黄亦芬,窦国仁.  均质高浓度紊流的时均结构和阻力系数 . 水利水运工程学报, 1989, (1): -.
    [15] 叶铭勋,胡竹魂.  氯离子扩散系数的测定 . 水利水运工程学报, 1986, (4): -.
    [16] 易进栋.  用速度法确定固结系数 . 水利水运工程学报, 1986, (2): -.
    [17] 杨永荻.  矩形水槽水流阻力系数的计算 . 水利水运工程学报, 1984, (3): -.
    [18] 李大梁.  低透水性土的渗透系数测定 . 水利水运工程学报, 1984, (3): -.
    [19] 姜树海.  消力戽流态转换界限水深的计算 . 水利水运工程学报, 1983, (4): -.
    [20] 司洪洋.  粗颗粒土石料的定名与粗度系数 . 水利水运工程学报, 1981, (1): -.
  • 加载中
图(8) / 表 (1)
计量
  • 文章访问数:  114
  • HTML全文浏览量:  60
  • PDF下载量:  25
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-05
  • 网络出版日期:  2022-07-12
  • 刊出日期:  2022-08-23

/

返回文章
返回