SKM模型在天然河道的適用性研究

楊 華,廖華勝,李連俠,蔣勝銀,蘆妍婷

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610065;2.廣東省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510610)

天然河道大多都是由灘地和主槽組成的復(fù)式河槽,其斷面形狀多不規(guī)則。灘、槽之間的動(dòng)量交換[1]和邊界阻力分布不均對(duì)水流的影響[2]使得天然河道的水流特性問(wèn)題極為復(fù)雜。1991年,Shiono和Knight從黏性流體力學(xué)基本方程(N-S方程)出發(fā),在恒定均勻湍流的前提下將方程簡(jiǎn)化進(jìn)而提出SKM模型(Smono&Knightmodel)[3],其控制方程為

式中:ρ為水的密度;g為重力加速度;H為水深;S0為河道縱向底坡;f為摩阻系數(shù);Ud為深度平均流速;s為河道邊坡坡度;y為河道斷面橫向坐標(biāo);λ為無(wú)量綱渦黏性系數(shù);Γ為二次流影響因子。

SKM模型提出以后,諸多學(xué)者利用其對(duì)形狀規(guī)則的河槽進(jìn)行試驗(yàn)和計(jì)算驗(yàn)證。王樹(shù)東[4]對(duì)特定的復(fù)式斷面進(jìn)行水槽試驗(yàn),分別針對(duì)不同水深進(jìn)行流速分布的測(cè)量,證明SKM模型能夠較為準(zhǔn)確地估算明渠河槽橫斷面的流速分布。Liao等[5-6]對(duì)水位流量關(guān)系的理論解與單一矩形斷面、對(duì)稱兩級(jí)復(fù)式斷面和非對(duì)稱兩級(jí)復(fù)式斷面水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,證明SKM模型能夠較精確地求得河槽水位流量關(guān)系,并且能分別給出主、灘槽的流量結(jié)果,可以考慮二次流的影響。

在實(shí)際工程求解析解的過(guò)程中,由于河道斷面并不都是規(guī)則的單一或多級(jí)復(fù)式河槽,其橫斷面邊界凹凸不平,在這種情況下,按斷面形狀規(guī)則的河槽來(lái)預(yù)測(cè)的過(guò)流能力與實(shí)際過(guò)流能力產(chǎn)生的誤差較大,并且難以得到較精確的水位 流量關(guān)系,而數(shù)值方法在處理任意斷面形狀的問(wèn)題時(shí)具有不可代替的優(yōu)勢(shì)。……