01 概要

雖然在具有規則幾何形狀的明渠中，二次流的識別可能是明確直接的，但是在邊界松散和不規則的自然河道，情況并非如此。事實上，由于平面形狀不斷變化，河床地形多變，天然曲流河道的水動力學相當復雜。流場是三維的并且會在蜿蜒流的每個截面中產生橫向流動。

本文用TELEMAC-3D簡要分析了在阿根廷Colastiné河出口處測得的橫流特性，該處水流分為兩條幾乎成T形的分流。本文報告了使用兩個聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）在研究場地捕獲的橫流數據與用不同復雜程度模型獲得的數值解的比較結果。

02 模擬方法

幾何模型：計算域的各種數據由現場采集得到。建模時，計算域的數字地形模型（DTM）表示河床裸露表面，在河床和河岸高程數據之間盡量具有平滑過渡。

有限元模型：有限元法(FEM)被越來越多地用于研究河流和潮汐流的環境問題，原因之一是它能夠以高精度簡化邊界條件、底部地形和幾何復雜區域的處理。首先將二維區域劃分成不重疊的線性三角形，然后沿豎直方向將每個三角形擠壓成與底面和自由面完全匹配的線性棱柱體，得到三維有限元網格。計算域由非結構化三角網絡離散，網格由99345個棱柱體組成。

在TELEMAC 3D中有多種湍流閉合模型。這里采用了兩種不同的湍流閉合模型進行計算。

邊界條件規定如下：在流入邊界處，通過施加速度分布來規定所有流動分量；在出口邊界處，所有變量的法向梯度設置為零。流入流量為2416m3/s，出口邊界表面高度設定為13m。

時間步長設置為0.1s。初始條件包括水表面高度13m和速度分量為0。大約在10萬個時間步之后達到穩定狀態，對應約2小時45分物理時間。

03 模擬結果

實測各截面（XS）的數值模擬結果如下圖所示，沿著船道順流方向各截面依次編號為XS-0到XS-5。

河道分流段的特征是河床地形的強烈不對稱性，因此其流動動力學特性應該表現出加速、停滯和流動偏轉等特征，這些特征在數值模擬結果中很好地表現了出來。自由表面速度應用不同復雜程度模型的計算結果如下圖所示。

在下圖中可以得到對復雜流動模式的進一步了解，其中分離區的形成使水流在航道入口處偏向左岸。

下面兩張圖片分別是使用Sontek聲學多普勒流速剖面儀和TRDI聲學多普勒流速剖面儀對XS-3截面實測記錄的橫向流速。

下圖顯示了應用各模型計算得到的XS-2截面的二次流模式。不同的模型的計算結果沿著流向速度的垂直方向分布有一些變化。XS-2截面的數值模擬結果顯示了從外到內的橫向方向上的凈單向流動分量，這是由質量守恒引起的，以補償彎道內部區域的流動加速度。

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