论文摘要：黄河下游滩区村台绕流特性与尾流演变机理研究

黄河下游滩区既是汛期排洪、滞洪和滞沙区域，又是滩区群众赖以生产和生活所必需的土地，滩区现居住着河南、山东两省189万居民，共有整建制村庄1928个，滩区内耕地482万亩，其背河地区无土地资源。水平截面为矩形的村台是滩区居民避洪工程措施中常用的结构形式。在国家利用亚洲开发银行贷款，实施黄河下游滩区村台建设项目之前，村台建设仅根据一些治河工程方面的有关经验进行布置，遇洪水漫滩流经村台时 ，形成对村台的大面积冲刷，引起村台后主流发生摆动，造成游荡性河道，给村台及尾流区内的堤防工程防护带来严重影响。本论文为亚洲亚洲开发银行黄河洪水管理资助项目，重点研究大尺度村台、洪水来流方向对村台绕流的影响，以解决新建村台及其下游尾流区堤防工程的冲刷与防护问题。村台绕流属于典型的钝体绕流。当洪水流经村台时，村台周围形成分离区，村台下游形成尾流区，分离区大小决定村台周围的冲刷范围，尾流区大小决定下游工程的防护范围。分离区大小与涡量分布是反映分离区特征的主要物理量；尾流区长度λ、宽度B、涡脱落频率f及涡量分布是反映尾流区特征的主要物理量。研究上述物理量，随村台绕流参数的变化规律，对村台设计与防护具有重要的作用。本文采用数值模拟技术、水洞染色液模型实验、水槽PIV流场测速技术，系统地开展了大尺寸、不同长宽比和不同来流迎角下矩形村台绕流特性及其下游尾流的演变规律研究，所取得的主要研究和创新成果如下：1．利用数值模拟技术，水洞染色液模型实验和PIV流场测速实验技术,系统研究了大尺寸、不同长宽比和来流方向角的矩形村台的绕流特性，给出了村台绕流演变规律,为村台及堤防工程防护提供科学依据。在不同方向角的洪水作用下，村台周围及尾流区的流场差别很大，村台周围及尾流区的涡量场分布也不尽相同，这将直接影响到村台周围及其下游河道的冲刷。村台周围存在顺来流方向布置的辅道时，辅道的存在不仅会改变绕过村台的分离流结构和脱落涡频率，同时将会影响村台下游尾流区演变。随着辅道坡度增大，村台绕流的脱落涡频率有所减小，但涡量有所增大。当辅道垂直于来流时，与无辅道绕流的情况相比，辅道的存在将使村台尾缘的涡脱落现象推迟。同时辅道的存在，将使村台周围分离区范围明显增大，这就增加了实际村台防护的工程量。2．揭示了不同长宽比和来流方向角对村台绕流分离区范围和涡量大小的影响规律，系统给出了相应的村台防护的有效范围。不同的来流角，造成村台迎水面宽度、分离区及尾流区范围发生不同的变化。在相同的长宽比K=0.5时，当 α=0°时，村台两侧及背水面都存在分离区。随着来流角的增大，背水面分离区范围及尾流区范围都有增大。当 α=90°时，尾流区范围有所减小。长宽比K=2.0时的流场，与长宽比K=0.5的情况相比，分离区及尾流区的范围比长宽比K=0.5的范围有所增加；在不同的来流方向角下，村台周围的涡量场分布也不尽相同；但是涡量最大值都发生在前缘和后缘分离点附近；而且越向下游，由于粘性的耗散和紊动扩散作用，下游涡量的峰值逐渐减弱。涡量大小及其分布决定涡量诱导的速度场，若涡量诱导的临底速度大于泥沙的起动速度，就会对村台周围分离区及下游尾流区产生冲刷。K=2.0时的涡量场，与长宽比K=0.5的情况相比，分离区及尾流区涡量大小及其分布都比较大。不同坡度的辅道，也会影响村台绕流涡量的大小及其分布。随着辅道的坡度降低，村台周围分离区范围增大，下游尾流区范围略有减小。3．揭示了不同长宽比和来流方向角对村台绕流下游尾流区宽度、长度和涡脱落频率等参数的影响规律，为村台下游游荡性河道的防护提供理论依据。在K1时，尾流区长度和宽度随着来流角α的变化趋势与K1的情况。在来流角 α=0°的情况下，长宽比K=2.5的情况，在村台两侧分离剪切层将出现再附现象，导致两侧形成分离泡结构，这将会影响尾流区的特征。通常情况下，当长宽比K

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