针对阿根廷帕拉哈河的河流三向流模式数值模拟研究

概要

虽然在具有规则几何形状的明渠中，二次流的识别可能是明确直接的，但是在边界松散和不规则的自然河道，情况并非如此。事实上，由于平面形状不断变化，河床地形多变，天然曲流河道的水动力学相当复杂。流场是三维的并且会在蜿蜒流的每个截面中产生横向流动。

本文用开源软件TELEMAC-3D简要分析了在阿根廷Colastiné河出口处测得的横流特性，该处水流分为两条几乎成T形的分流。本文报告了使用两个声学多普勒流速剖面仪（ADCP）在研究场地捕获的横流数据与用不同复杂程度模型获得的数值解的比较结果。

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模拟方法

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几何模型：计算域的各种数据由现场采集得到。建模时，计算域的数字地形模型（DTM）表示河床裸露表面，在河床和河岸高程数据之间尽量具有平滑过渡。

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有限元模型：有限元法(FEM)被越来越多地用于研究河流和潮汐流的环境问题，原因之一是它能够以高精度简化边界条件、底部地形和几何复杂区域的处理。首先将二维区域划分成不重叠的线性三角形，然后沿竖直方向将每个三角形挤压成与底面和自由面完全匹配的线性棱柱体，得到三维有限元网格。计算域由非结构化三角网络离散，网格由99345个棱柱体组成。

在TELEMAC 3D中有多种湍流闭合模型。这里采用了两种不同的湍流闭合模型进行计算。

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边界条件规定如下：在流入边界处，通过施加速度分布来规定所有流动分量；在出口边界处，所有变量的法向梯度设置为零。流入流量为2416m3/s，出口边界表面高度设定为13m。

时间步长设置为0.1s。初始条件包括水表面高度13m和速度分量为0。大约在10万个时间步之后达到稳定状态，对应约2小时45分物理时间。

模拟结果

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实测各截面（XS）的数值模拟结果如下图所示，沿着船道顺流方向各截面依次编号为XS-0到XS-5。

河道分流段的特征是河床地形的强烈不对称性，因此其流动动力学特性应该表现出加速、停滞和流动偏转等特征，这些特征在数值模拟结果中很好地表现了出来。自由表面速度应用不同复杂程度模型的计算结果如下图所示。

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在下图中可以得到对复杂流动模式的进一步了解，其中分离区的形成使水流在航道入口处偏向左岸。

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下面两张图片分别是使用Sontek声学多普勒流速剖面仪和TRDI声学多普勒流速剖面仪对XS-3截面实测记录的横向流速。

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下图显示了应用各模型计算得到的XS-2截面的二次流模式。不同的模型的计算结果沿着流向速度的垂直方向分布有一些变化。XS-2截面的数值模拟结果显示了从外到内的横向方向上的净单向流动分量，这是由质量守恒引起的，以补偿弯道内部区域的流动加速度。

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