明渠交汇口分离区三维几何特性的大涡模拟研究

为更准确地把握交汇角对分离区三维几何特性的影响,建立了不同角度的交汇水槽模型并进行数值模拟。采用大涡模拟(LES)方法求解交汇区的湍流流场,并基于平衡层模型的Werner壁面函数法处理近壁区流场。模拟所得垂向流速分布及分离区尺寸等结果与实测资料吻合程度较高。以90°交汇水槽为例较详尽地分析了分离区的三维几何特性,并从流场结构角度对其形成机理进行了剖析。随后聚焦于不同交汇角度下分离区的三维几何特性,给出了交汇角对不同水深层面分离区各几何参数的影响。研究结果显示:交汇口的分离区三维几何特性与流场结构有较强的关联性,分离区宽度沿水深的分布规律是分离区内外的流向涡及与之伴随的象限事件作用的结果。随着交汇角的增大,各水深层面的分离区长度基本呈增大趋势;当交汇角达到105°时,各水深层面分离区长度达到最大值,其原因是受干流顶冲作用,支流的实际入流角将小于交汇角,当交汇角为90°时,支流入汇对分离区长度的影响达到最大;随着交汇角的增大,各水深层面的分离区宽度总体呈增大趋势,显示出与90°交汇水槽相似的分布特性;随着交汇角的增大,各水深层面的分离区对称系数逐渐减小,这是分离区附近水平绕流涡的三维取向和分离区的长度变化共同作用的结果。