水沙条件变化对河型河势影响的三维数值模拟研究

以概化水槽为例,采用考虑岸滩崩塌变形的三维水沙模型,对不同水沙及岸滩抗冲性条件下的河型河势变化特征进行了数值模拟研究。模拟结果表明:不同流量过程对河床的塑造作用存在显著差异,大水的造床作用往往大于长时期小流量的造床效果,不同的流量过程甚至可能产生不同的河型;黏性细沙的加入有助于稳固边滩(临界剪切应力增加),从而促进曲流的形成;边岸抗冲性弱、大量加入床沙时,主流易散乱,有助于游荡型河道的形成与发展。考虑岸滩崩塌变形的三维水沙模型为河型河势变化的深入研究提供了一有效技术手段。     

移动网格下黄河下游游荡段二维水沙数值模拟北大核心CSCD

本文针对游荡型河道水沙数值模拟中岸滩崩塌引起的网格移动问题,采用任意拉格朗日-欧拉方法,在正交贴体坐标系中建立了移动网格下的黄河下游游荡段平面二维非恒定水沙数学模型,同时为使移动网格情况下水沙运动控制方程满足几何守恒律,推导了正交贴体坐标系下网格运动项的计算公式,并采用基于弧长的超限插值法,提出了一种能追踪河岸边界变化的网格移动计算方法。最后采用黄河下游花园口至高村河段2013年实测水沙资料对模型进行验证,结果表明,本模型能较好地模拟出计算河段的水沙输移、滩槽冲淤分布和岸滩冲刷后退过程,所建模型可用于黄河下游游荡型河道水沙运动和滩槽演变模拟。     

不同流量条件下弯曲河流颈口裁弯实验研究

颈口裁弯是弯曲河流演变过程的突变现象,其过程和机制尚未形成统一认识。本文采用室内水槽实验概化模型法,研究恒定流量和变化流量条件下裁弯前颈口缩窄过程、新河道形成及裁弯条件。结果表明,无论流量变化与否,颈口上、下游河岸的侵蚀是触发裁弯的主要因素。弯曲河流的模型河道的弯曲系数为6 ~ 7,颈口段宽度与河段河宽比值约0.43,河槽物质为非黏性沙,在单宽流量为0.0039 ~ 0.0069 m2/s,纵比降为1‰的条件下,经历足够长时间的河岸侵蚀后可发生颈口裁弯现象。裁弯即将发生时,连续河湾弯曲系数有所增加,河道的平面形态向下游发生旋转。颈口裁弯后,新河道形成经历以纵向冲刷为主、以横向展宽为主和缓慢发展三个阶段。     

基于流量过程的若尔盖黑河下游崩岸规律研究

岸坡侵蚀及岸滩崩塌对河道泥沙输移与弯道横向迁移具有重要影响。通过2017—2018年野外测量、流量频率分析和崩岸数值模拟,采用岸坡形态的原型观测数据,研究恒定和非恒定流量条件下,若尔盖高原黑河下游一个“?”型弯道的崩岸过程及其坡脚冲刷和岸坡崩塌的变化规律。恒定流量下,坡脚冲刷速率及河岸崩塌宽度随流量增大而增大。非恒定流量下,改变流量过程线的形状、峰值流量和离散度,当平均流量相同时,岸坡冲刷速率及河岸崩塌宽度基本一致,二者随平均流量的变化趋势与恒定流量下一致。这说明岸坡侵蚀的作用效果受流量大小的量级及其频率的共同作用,坡脚冲刷与岸坡崩塌主要受平均流量控制,流量过程线的形状及峰值影响较小。     

七弓岭弯道颈口裁弯条件及其对城陵矶水位影响

下荆江与东洞庭湖交汇段的七弓岭弯道,其颈口宽度已远小于河道宽度,而且三峡水库蓄水后清水冲刷河岸,加速颈口河道缩窄,存在漫滩冲刷或崩岸贯穿作用下颈口裁弯的可能性,故研究七弓岭弯道的颈口裁弯临界条件较为迫切。采用水文资料、地形数据和MIKE21水动力模型,建立七弓岭弯道上下游（监利-螺山）的二维水动力学模型,在不同流量和颈口设置不同深度的浅槽条件下,开展颈口裁弯前后的河道水动力数值模拟,分析七弓岭弯道颈口裁弯条件和预测七弓岭裁弯对城陵矶水位的影响。研究表明,七弓岭颈口可能在高水位条件下发生冲切型裁弯和较窄颈口宽度条件下发生崩岸型裁弯,裁弯将导致城陵矶水位至少增加0.3 m,这主要是七弓岭下游的洞庭湖入汇长江对七弓岭弯道水位的顶托作用,而且在不同强弱顶托作用下裁弯后新河道与老河道的分流量差值小于上游来流量的1%。     

流量非恒定性对河道演变影响机理的研究

河流流量在自然条件下大多都有一定的非恒定特性,它是河道演变的重要动力因素。为了增加流量非恒定性对河道演变规律的认识,课题开展了概化的物理模型河流试验,对不同流量过程作用下河道地形的变化进行了精细测量。模型试验包括三个组次:恒定流量试验、突变流量试验和渐变流量试验。突变流量试验和渐变流量试验的结果以恒定流量试验作为参考进行对比分析。试验结果表明:1在上游斜道和二次流作用下河道发展出滩槽结构,浅滩包括两个部分,滩面较高的部分起到导流的作用,使得水流主流蜿蜒向前,并保护了滩面较低的浅滩不受主流侵蚀作用;2流量的非恒定特性使得原有的滩槽结构不断破坏,岸滩变得平整,主流变浅;3具有较大流量波动强度(均方差)的流量过程具有更强的岸滩冲刷能力,使得河道展宽增加。     

悬挂式防渗墙控制堤基渗透变形发展模型试验

在室内比例为1∶40的钢化玻璃模型槽中进行堤基渗透变形模型试验。模拟二元结构堤基在不同防渗墙深度、位置条件下渗透变形的发生、发展过程。测试得到随着渗透变形的发展,堤基内部水头的变化、流量变化以及预留出口出砂面积的变化情况。通过理论分析并结合数值计算,合理的解释了在各个阶段渗透变形通道的发展模式,并评估了当防渗墙处于不同位置时对于抑制渗透变形发展所起到的作用。     

城市地区流域洪水过程模拟:以清河为例

城市地区流域洪水模拟是当前洪水过程计算分析的热点和难点,本研究基于Mike洪涝模拟平台的河道一维水动力学模型(MIKE11),综合考虑城市地区不透水下垫面产流、多闸坝调度、城市排水、支流汇入等因素,系统构建了北京市主要排洪河道清河流域洪涝模拟模型,以设计流量、水位资料和实测场次洪水过程资料分别对河道、水工建筑物参数及运行规则进行了验证,模型模拟结果显示模型能够较好模拟城市流域复杂环境条件下的河道结点水位,情景模拟分析不同降雨重现期流域现状河道行洪能力和河湖雨水综合利用能力,显示清河流域具有明显的低水位、大流量的特点,可以满足20年一遇降雨行洪要求。在特大暴雨条件下清河干流中段清河闸至羊坊闸是河道洪涝的重点防护区域。从1年到20年一遇重现期设计降雨条件下,模拟蓄水占总库容的33.5%~54%。研究为城市流域防洪调度和雨水资源利用提供技术支持。     

对计算河道最小生态流量湿周法的改进研究

在分析湿周法基本理论的基础上,探讨了湿周法确定河道最小生态流量的计算步骤.研究分析了几种典型河槽几何断面的湿周流量关系,采用斜率为l法和曲率最大法来确定湿周流量关系曲线上变化点所对应的最小生态流量.以长江中下游河道计算为例,分别选取长江中下游的宜昌、汉口水文站作为控制断面,对长江中下游河道最小生态流量进行了研究,并利用Tennant法对计算结果进行了分析评价.结果表明,曲率最大法确定准则计算结果合理,而采用斜率为l法确定准则计算结果则偏大.最后确定宜昌、汉口站断面的最小生态流量为2315m3/s、3124m3/s,分别占多年平均天然流量的16.7%、13.8%.该研究表明改进湿周法用于长江中下游河道最小生态流量研究是可行的.     

河宽模型对Muskingum-Cunge方法汇流的影响

分布式流域水文模型常采用Muskingum-Cunge方法进行河道汇流,通过有限差分求解运动波方程来近似扩散波方程,方程中的水流波速和水力扩散度根据河道单宽参考流量来计算,因此需要给出各处的河道宽度。BTOPMC采用Lu河宽模型,河流动力学中介绍了阿尔图宁模型,本文在Lu模型和阿尔图宁模型的基础上,综合考虑河床、河岸淤积物的土质组成和河道坡度等因素,对河宽模型进行了改进,并根据卫星地图量测实际河宽来确定模型参数。应用各种河宽模型,利用BTOPMC对韩江流域进行全年的日径流模拟,结果表明,河宽模型越准确,Muskingum-Cunge汇流方法精度越高,曼宁糙率系数的估算值越合理,日径流模拟效果也越好。     

双吸式离心泵叶轮泥沙磨损数值模拟

采用欧拉—拉格朗日多相流模型,对双吸式离心泵内的水流和泥沙颗粒运动进行了模拟,并采用离散相冲击磨损模型对不同泥沙浓度和粒径条件下的叶轮磨损进行了分析,分析结果表明：离散相冲击磨损模型可以准确预测叶轮的磨损位置和磨损强度;随着泥沙浓度的增加,叶片的磨损强度显著提高;叶片吸力面的磨损强度明显高于压力面,压力面的磨损位置集中在叶片的进口和出口处,吸力面的磨损位置则随着泥沙浓度的增加而改变;泥沙粒径是影响磨损强度的重要因素,随着粒径的减小,磨损强度显著降低。     

风暴潮过程中波浪对地形演变影响的数值研究

建立了一个波流耦合作用下泥沙输移的平面二维数值模型，以研究风暴潮过程中地形冲淤变化的规律及波浪的影响。水流和泥沙输运的模拟采用水沙耦合数值模型，以考虑强冲淤条件下地形变化与水流运动之间的相互作用。波浪场模拟采用SWAN模型，计算得到的波浪辐射应力输入水沙耦合数值模型实现波流耦合。采用建立的模型对风暴潮过程中近岸地形变化进行了分析，结果表明，波浪对地形演变的影响程度随着风暴潮潮位的增加而减小。当风暴潮潮位较小时，近潮汐通道处形成不对称的三角洲、入口处形成冲刷坑；当风暴潮潮位较高时，形成的三角洲不对称性较小。当风暴潮潮位升高，近岸水深与波长之比大于0.15时，波流耦合模型与不考虑波浪作用模型计算所得的地形变化的绝对误差为整体地形变化的5%，但前者计算时间增加了一倍，因此，波流耦合计算对于风暴潮潮位较低，近岸水深与波长之比小于0.15时具有重要意义。     

喜河水电站进水口上游围堰高程对排沙及冲渣影响的试验研究

通过水工模型试验研究喜河电站厂房坝段不同围堰拆除高程对坝区水流流态、排沙及冲渣的影响,及在现有水工结构下,通过运行闸门泄洪方式能否做到机组进水口"门前清",论证现状残留围堰的合理性,为喜河水电站提出合理的围堰拆除高程,也为其他类似电站围堰高程提供可借鉴的资料。     

缓变曲线改善120°弯道水沙运动的三维数值模拟

人工河道的弯道段大多曲率单一,水流动力轴线的曲率与弯道曲率难以匹配,导致了流固分离和弯道二次流的产生。针对弯道曲率突变问题,引入两种插有缓变曲线的弯道形式,研究缓变曲线对120°弯道水沙特性的影响和流态的改善。运用MIKE 3水动力模型和泥沙输移模型对单曲线弯道、缓圆缓弯道和对称凸弯道进行数值模拟,对比分析不同弯道型式在冲刷和定床两种工况下的近底流速、水面横比降和超高、弯道环流和河床冲淤变形。研究结果表明：插有缓变曲线的两种弯道可以遏制弯道中水体湍动的发展,改善120°弯道水流的流态,能够有效减小弯道凹岸冲刷、凸岸淤积的现象,缓解河床的冲淤变形。     

小浪底水库拦沙期黄河引水对河道泥沙输移影响机理探讨

影响河道泥沙输移效率的因素众多,如水沙协调性、泥沙组成、引水规模、河道形态等。引水对河道泥沙输移会造成增淤或减淤,其增减淤量随水沙条件、分流比、河道边界等因素而变化,本文从黄河泥沙输移规律出发,探讨了不同水沙和冲淤条件下,引水规模对黄河冲积性河道泥沙冲淤调整的影响,量化了增(减)淤判数与分流比、泥沙输移比之间的关系。成果对黄河引水方案的科学制定及引水工程的运行调度具有参考价值。     

黄河下游河道洪水冲淤与水沙搭配关系

本文总结了以往对黄河下游河道冲淤临界条件的研究情况；利用1960～1999年422场洪水资料分析了影响洪水冲淤的各种水沙因素，建立了黄河下游4个河段洪水排沙比与综合水沙系数的关系，该水沙系数包括流量、含沙量、洪峰流量变幅、洪水沿程衰减系数、洪水历时等5个因素；利用4个河段的冲淤临界条件勾画出了4个河段洪水冲淤调整与来水来沙搭配(或组合)之间的关系；该关系可为小浪底水库调度决策以及黄河下游治理提供参考。     

三峡水库运行后洞庭湖水沙变化及影响因素

水库建设改变江湖关系,影响下游水沙情势,进而对流域状况、人类生活和社会发展产生影响。本文根据2003—2019年洞庭湖三口、四水及长江水沙数据,运用Mann-Kendall趋势检验、滑动平均值等方法分析洞庭湖水沙变化趋势,并用Mann-Kendall突变分析方法对有显著变化的站点进行突变分析。结果表明,2003—2019年,荆江三口各水文站年输沙量、弥陀寺站与康家岗站年径流量有显著变化且具有突变点,荆江三口其余各站年径流量及四水各站水沙无显著变化。其中弥陀寺年径流量和年输沙量变化的突变点分别位于2014年和2010年,其余存在显著变化的各站年输沙量突变点皆位于2008年前后。长江干流来水来沙是影响洞庭湖水沙的重要因素,受2008年三峡水库开始175 m试验性蓄水影响明显,采砂活动等因素也可能与洞庭湖湖区冲淤情况存在关联。     

侧边机组故障对泵站前池流态的影响

为研究侧边机组故障对泵站前池流态的影响,本文建立了某泵站引渠、前池、进水池与吸入管三维数值模型,并基于VOF模型开展了数值计算。然后,根据计算结果分析了不同侧边机组故障情况对前池和引渠内流态的影响。最后,引入了流速分布均匀度作为量化指标,阐述了不同侧边机组故障情况对中间机组的吸入管进口流速分布的影响规律。结果表明:侧边单台机组故障时,前池内部流速分布相对无故障变化较小,但故障机组吸水池内产生大尺度漩涡,进而导致前池出口断面流速畸变,发生流速掺混现象;侧边机组全部故障时,前池内部产生大尺度涡系,造成前池出口断面流速严重掺混现象,且范围更大,并显著影响中间机组吸入管进口流态,造成进口流速不均匀分布,进而对中间机组运行产生不利影响。     

电站循环水泵进水流道水力特性及整流优化研究

循环水泵进水条件的优劣对循环水泵效率及是否出现汽蚀和振动有显著影响。针对某电站300 MW机组循环水泵振动问题,采用RNG湍流模型对其进水流道水力特性开展三维数值模拟研究,分析了进水流道整体水流流态、泵吸水喇叭口附近区域流场、泵体周围流速分布,并对其进行了整流优化改造方案研究。结果表明,循环水流道斜坡坡度较大,导致水流扩散不均匀,表面流速较大,在斜坡底面和进水池存在较大漩涡;泵吸水喇叭口截面水流严重不对称,出现较明显偏流,泵进水条件恶劣;采取有效整流消涡措施可以改善循环水流道水流流态,均匀流速,改善泵进水条件。     

黄河下游河道河床阻力计算研究评述

河床阻力是河流动力学基本问题之一。黄河下游含沙量高,泥沙颗粒较细,河床调整变化快,水沙条件的特殊性和河道形态频繁剧烈的变化给准确计算河床阻力带来很大困难。过去针对黄河下游特性的河床阻力计算已有较多研究成果,但黄河下游水沙及河道特性本身难以把握,床面形态测量难度大,导致目前河床阻力计算研究成果仍较为分散,未能从理论和计算方法上取得较好的共识。本文分析了影响黄河下游河道河床阻力大小的因素,对河床阻力计算研究方法进行总结,并指出进一步研究的方向。