弯道明渠水流是水利工程中常见的流动形式,受重力及离心力共同作用,其自身结构沿横向及纵向重新分配,使得水流特性变得非常复杂。弯道的水流特性也与弯道的几何形态及水流条件密切相关,目前已有研究主要集中在单一弯道中的水流结构方面,对于弯道几何形态与水流结构之间相关性的研究较少,因此本论文的研究对于深入了解弯道中的水流结构具有重要的理论意义。1.采用声速多普勒流速仪(ADV)对三种不同宽深比(B/H分别为1.5,2,3)的U型弯道内水流进行精细测量。试验结果表明:宽深比越大,水流动力轴线开始向凹岸偏移的位置越提前。可以说明小流速主流线沿着凸岸流动,直到出弯道才开始向凹岸偏移,大流速则更早的向凹岸偏移。随着宽深比的增大,横向流速在凹岸开始波动的位置以及凹岸表层附近出现次生环流的位置依次靠近上游。三种工况的剪切力凸岸大于凹岸,在弯道入口断面到弯顶断面之间较大,最大剪切力位置均出现在弯道的前半段。2.采用高密度网格的大涡模拟(LES)方法对试验弯道水流进行三维数值模拟。模拟结果表明,弯道沿程断面上的流速分布符合弯道主流线分布规律,弯道中横断面在凸岸附近发生水流分离现象,沿水深方向分离区域增大后减小。横断面上环流结构复杂多样,特别是弯顶断面附近,主环流中嵌套着多个小的次生环流,并且这些次生环流不断发展,与主环流相互作用。表层流速较小,但涡量较大,且分布均匀。在水体下部,弯道中心线附近涡量较小,凸岸以及弯顶断面后的凹岸狭长区域内存在各种尺度的涡量。3.采用RNGk-ε对弯道中心角分别为30。、60。、90。、120。、150。、180。、210°的七种不同中心角矩形弯道内的清水定床水流进行三维数值模拟。模拟结果表明:弯道中心角对水面超高、主流位置、弯道环流结构均有显著影响。随着弯道中心角的增加,弯道内水面超高增大,但纵横比降反而减小;弯道中心角越大,主流集中程度越高,而弯道出口断面主流区向凹岸偏移程度也越大,环流强度不断增强,环流中心也有向上向凸岸偏移的趋势。最大正向流速的位置随中心角的增大而抬升,强度随着中心角的增大而增大;底部最大反向流速发生的位置基本不变,强度随中心角的增加而增加。4.采用RNG k-π模型在90°弯道明渠中研究了小宽深比条件下,四种径宽比工况的水流特性。研究结果表明:弯道水面形态、流动结构、紊动能以及环流强度与弯道径宽比之间存在较强的相关性。径宽比越小凹岸侧与凸岸流速差越大,流速在断面上的分布越不均匀,主流的集中程度越高,横向流速及环流强度越大。当径宽比大于1.5时,传统超高理论公式尚可适用,水面的变化较为平顺,水流出弯后其紊动能在下游直道内逐渐减小;径宽比小于1.5时,传统超高理论公式并不适用,水流在凸岸形成分离,形成较大的凹陷坑,紊动能在弯道下游直道区域很大范围内持续增大。