随着社会经济发展,人们修建和改造了大量用于引水、灌溉、通航的明渠,用于保障工农业和生活用水以及内河水运需求,如我国境内大型输水渠道近5000km。各种明渠运行期间需要修筑涉水建筑物和进行维护时,往往需要修建导流设施。对于渠道的正常输水运行,修建各种导流设施将会缩窄所在渠段的过水断面面积,影响渠道正常过流,造成上游壅水,甚至导致水流出现剧烈地紊动、脱离边壁的现象。这些不利现象将会形成涡流,导致导流设施受力恶化、出口段形成水跃等不利情况。LBM作为一种新兴的流体数值模拟方法,从介观角度入手,对湍流等复杂流动实现了精度和效率更高的模拟。本文通过一系列原型观测、物理和数值试验以及理论分析的手段,分析论证了用于南水北调中线不停水维修的钢围挡(围堰)的技术可行性,并根据实验数据提出了合理可行的围挡结构形式改进方案。本文主要进行了以下工作:(1)开展南水北调新乡段钢围挡维修工程的原型观测。通过利用ADCP(Acoustic Doppler Current Profilers)和全站仪等设备,在Q=220m3/s流量条件下进行了水力特征参数测量。掌握了原型渠段水面线和流场的基本规律,使用断面流速不均匀系数、主流偏移度、单宽水流功率等系数量化了测量渠段的水流流动特性。(2)开展模型试验,从水力学角度研究设计方案钢围挡在不同来流条件下的合理性,并提出科学可行的围挡结构形式改进方案。借助概化模型试验方法对钢围挡设计方案的水动力学特性进行了分析研究,分析表明在各个流量下,钢围挡设计方案的平面布置合理,具有较好的水力边界特性,经过钢围挡区的水流比较适顺,没有剧变的复杂不利流态。在原型观测和模型试验的基础上提出了两种钢围挡的改进方案,并通过模型试验验证了改进结构形式在水力学方面的合理性。(3)基于格子Boltzmann方法,结合大涡紊流模型,建立布设钢围挡的明渠渐变段数值模型,进行了多来流条件和多钢围挡尺寸形式下的明渠水流数值模拟计算。对于钢围挡区域的高速主流,使用主流偏移度系数量化了主流的运行轨迹变化规律。对于主流流速,使用单宽水流功率进行了定量研究。对钢围挡区域主流的具体流动形态有了规律性认识,对于各来流情况和钢围挡结构形式下的主流和回流区之间的相互关系和发展过程进行了探讨。并对钢围挡外侧边壁的流速和受力情况也进行了定性分析。(4)综合所有数据,对于钢围挡的扰流阻力计算方法进行了理论推导,对钢围挡扰流阻力系数进行了推求。认为在本文研究的实际工程前提下,钢围挡所受扰流阻力系数是来流傅汝德数和钢围挡迎流角度的函数,并分别得出了来流傅汝德数、钢围挡迎流角度和扰流阻力系数以及钢围挡造成的局部水头损失之间的相关关系。