杨 华,廖华胜,李连侠,蒋胜银,芦妍婷

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川 成都 610065;2.广东省水利水电勘测设计研究院,广东 广州 510610)

天然河道大多都是由滩地和主槽组成的复式河槽,其断面形状多不规则。滩、槽之间的动量交换[1]和边界阻力分布不均对水流的影响[2]使得天然河道的水流特性问题极为复杂。1991年,Shiono和Knight从黏性流体力学基本方程(N-S方程)出发,在恒定均匀湍流的前提下将方程简化进而提出SKM模型(Smono&Knightmodel)[3],其控制方程为

式中:ρ为水的密度;g为重力加速度;H为水深;S0为河道纵向底坡;f为摩阻系数;Ud为深度平均流速;s为河道边坡坡度;y为河道断面横向坐标;λ为无量纲涡黏性系数;Γ为二次流影响因子。

SKM模型提出以后,诸多学者利用其对形状规则的河槽进行试验和计算验证。王树东[4]对特定的复式断面进行水槽试验,分别针对不同水深进行流速分布的测量,证明SKM模型能够较为准确地估算明渠河槽横断面的流速分布。Liao等[5-6]对水位流量关系的理论解与单一矩形断面、对称两级复式断面和非对称两级复式断面水槽试验数据进行验证,证明SKM模型能够较精确地求得河槽水位流量关系,并且能分别给出主、滩槽的流量结果,可以考虑二次流的影响。

在实际工程求解析解的过程中,由于河道断面并不都是规则的单一或多级复式河槽,其横断面边界凹凸不平,在这种情况下,按断面形状规则的河槽来预测的过流能力与实际过流能力产生的误差较大,并且难以得到较精确的水位 流量关系,而数值方法在处理任意断面形状的问题时具有不可代替的优势。……