部分植被明渠水流流动特性三维数值模拟研究

利用在sigma坐标下含有植被明渠水流三维数学模型,湍流模型采用鲁俊修正的Smagorinsky模型,用分步算法和有限差分离散求解控制方程,数值模拟研究了部分植被化明渠水流流动特性。分析了植被区域内流速和切应力分布特征以及明渠水流的流量和植被密度的关系,数值计算表明植被密度增加,明渠水流的流量减小,但随着植被密度增加超过一定定值,明渠水流的流量不变。     

以波尔兹曼方程建立明渠水流模型的理论基础

针对传统模拟明渠水流方法所存在的问题，提出了应用ＢＧＫ模拟方法模拟明渠水流运动的可能性。根据ＢＧＫ波尔兹曼方程及明渠水流中微、宏观变量之间的基本关系，导出了明渠水流运动的控制方程。理论推导证明，圣维南方程是ＢＧＫ模型在局部平衡状态下的一个特例。通过对熵方程分析表明，ＢＧＫ波尔兹曼方程严格满足熵条件，从而阐释了ＢＧＫ模拟方法满足熵条件。利用一个恒定水跃的例子说明了熵条件的重要性，同时也表明，仅仅以质量和动量守衡律为基础的圣维南方程可能会得出不唯一的解，即不满足熵条件的解。在论证ＢＧＫ波尔兹曼方程与明渠水流守衡律的一致性的基础上，提出了建立ＧＢＫ明渠水流模型之基本思路和步骤并分析了该方法与传统模拟方法之区别。从理论上论证了利用ＢＧＫ模拟方法模拟明渠水流的可行性，为建立ＢＧＫ明渠水流模型奠定了理论基础。     

以波尔兹曼理论建立明渠水流数值模型方法

根据文献[1]所论述的以波尔兹曼方程建立明渠水流模型的理论及明渠水流中微、微观变量之间的基本关系，采用有限体积离散方法，探讨了BGK明渠水流数值模型的方法，初步建立了不同于传统方法的、满足熵原理的BGK明渠水流数模型，通过对一系列典型的明渠水流现象的模拟，并对理论解，其它计算方法获得的解决以及公开发表的实验结果相比较，表明所提出的模型计算精度高，、稳定性好，勿须人为的熵修正（如人为增加耗散项）、能准确模拟明渠中不连续水流运动（如溃坝波等），不会出现非物理性的震荡，是一种颇具开发前景的明渠水流模型。     

引水明渠二维水流数学模型的建立及应用

准确计算引水明渠内的水力学特征对于设计渠道断面型式及控制渠道泥沙淤积等具有重要意义。通过建立平面二维水流数学模型,对某引水渠道及其上游干流、下游库区区域的水流进行了数值模拟研究,分析了计算区域内的流态、流速分布和水位变化等水力参数。在此基础上对引水明渠渠底高程进行优化,对比了不同高程下渠道的水位和水流特征,成果可为明渠的优化设计及其防淤方案的制定提供科学依据。     

一维跨临界流数值模拟研究进展

综述了国外一维跨临界流数值模拟的主要研究进展,概括介绍了跨临界流的两种处理方法———激波捕捉法和激波拟合法,并重点介绍了一种简便、高效、稳定的实用算法(删减对流加速度项法)。     

潜流式人工湿地的数值模拟与参数率定

以沈阳辉山明渠河口潜流式人工湿地为例,利用数值模拟预测了该湿地的运行效果。采用多孔介质水流与溶质运移耦合模型,通过对湿地模型的概化与处理,利用FEFLOW软件针对潜流基质层的水流和溶质扩散进行数值模拟,通过敏感度分析确定基质层的孔隙度、渗透系数、弥散系数和吸附降解系数为影响污水处理效果的敏感参数,并通过参数率定对所建立的湿地模型进行了模拟预测,结果证明所构建的湿地模型的预测值与观测值拟合程度较好。可为潜流式人工湿地设计中运行效果预测及参数设定提供一种新的有效方法。     

动量修正系数对恒定明渠流计算的影响

在采用浅水方程的洪水模拟中,经典的交替方向隐式格式(ADI)被认为不能用来计算跨临界流。这种格式会在自由水面和流速急剧变化的地方产生非物理振荡。然而,实际中这种格式仍然被广泛应用于商业计算软件。为了能够用ADI格式在模拟跨临界流时能够得到稳定的数值结果,修改动量修正系数(Boussinesq系数)这种数值处理方法能够部分地减轻ADI模型在模拟跨临界流时遇到的困难。该文通过对一维恒定流条件下的高速明渠流动问题的数值模拟,以及二维英国Boscastle地区洪水波的数值模拟,系统地评估了这种数值处理方法对模型计算的影响,并对比了ADI和具有激波捕捉能力的TVD-Mac Cormack模型的计算结果。结果表明,随着动量修正系数的减小,可以有效抑制ADI格式产生的数值振荡,但同时会降低水深的预测值。这些结果有助于评估数值格式在模拟跨临界流动时的准确性。     

基于WMLES方法的复式断面明渠三维紊流数值模拟

针对基于雷诺时均Navier-Stokes方程的数值模型在精确模拟复式断面明渠三维水流结构方面存在困难和传统大涡模拟(LES)方法计算成本相对较高的问题,采用壁面建模的大涡模拟(WMLES)方法建立三维数值模型,对水深比(滩地水深与主槽水深之比)为0.5的复式断面明渠水流结构进行模拟计算。数值模拟计算结果与已有试验测量结果和LES模拟结果的对比表明,WMLES方法能够准确地模拟时均速度、床面切应力、紊动强度、紊动能、雷诺应力分布、二次漩涡结构,该方法在复式断面明渠水流三维模拟中是可靠的;在保证计算精度的前提下,与传统LES方法相比,采用WMLES方法能够显著降低计算成本。     

二维明渠非恒定水流BGK数值模型

本文根据BGK波尔兹曼方程及明渠水流中波尔兹曼变量与宏观变量之间的基本关系，导出了明渠水流运动方程，验证了BGK波尔兹曼方程与明渠水流运动方程的一致性，并从理论上证明，圣维南方程是BGK明渠水流模型在局部平衡状态下的一个特例。以BGK波尔兹曼方程为基本方程，利用有限体积离散方法，建立了满足熵原理的二维明渠非恒定水流的BGK数值模型。通过对典型的明渠水流现象的模拟，并与其它计算方法获得的解以及实验结果相比较，表明BGK模型勿须人为的熵修正，能准确地模拟存在不连续运动的明渠水流运动，是一种较好的明渠非恒定水流模型。     

潜流式人工湿地的数值模拟与参数率定

摘要：本文以沈阳辉山明渠河口潜流式湿地为例，探讨了利用数值模拟预测湿地运行效果以及参数率定的方法。采用多孔介质的水流与溶质运移耦合模型，通过对湿地模型的概化与处理，利用FEFLOW软件针对潜流基质层水流和溶质扩散进行了数值模拟，通过敏感度分析确定基质层的孔隙度、渗透系数、弥散系数和吸附降解系数为影响污水处理效果的敏感参数，并通过参数率定对所建立的湿地模型进行了模拟预测，结果证明所构建的湿地模型的预测值与观测值拟合程度较好，从而为潜流式人工湿地设计中运行效果预测及参数设定提供了一种新的有效方法。     

簇状分布的刚性双层植被明渠紊流特性分析

采用RNG k-ε 紊流模型,对簇状分布的刚性双层植被明渠水流进行了模拟和分析;根据时间及空间的双平均方法对植被明渠水流的流速及紊动参数进行了统计。结果表明:簇状分布的植被明渠水流可以分为植物区、间隙区及主流区,不同区域时均流速的大小和分布各异;双层植被明渠水流中,时均流速垂线分布在近床面、低植物顶部附近及高植物顶部附近均出现拐点,脉动强度和紊动能的最大值出现在高植物顶部附近。     

用浸没边界-格子Boltzmann方法模拟双层刚性植被明渠水流特性

含植被明渠水流的模拟是水动力学中的一个典型问题。该文尝试用浸没边界-格子Boltzmann方法(immersed boundary-lattice Boltzmann method,IB-LBM),结合大涡模拟,对含双层刚性植被明渠水流进行数值模拟分析。首先介绍了IB-LBM的基本思想和局部加密网格处理刚性杆件的方法;然后模拟典型双层刚性植被明渠流,将模拟结果和实验数据及有限体积法模拟数据对比,验证了其精度和可靠性;最后,通过加大植被密度和改变密度比来深入分析植被密度影响规律。结果显示,通过局部网格加密和并行计算,IB-LBM可模拟较大规模的含植被流动;改变植被密度和两层之间的密度比对宏观流速剖面线的转折点和凹弧曲率有影响。     

径宽比对90°弯道明渠水流结构的影响

径宽比作为弯道明渠的几何参数之一,对水流结构有重要影响。该文采用三维数值模拟的方法在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、湍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侧流速差越大,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,水流出弯后其湍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,湍动能在弯道下游直道区域很大范围内持续增大。     

明渠均匀流流速横向分布的涡黏性模型

为了研究明渠水流的运动特性,开展了明渠水流流速横向分布数学模型的研究。本文根据量纲分析方法和实验资料,得到水流横向剪切作用下横向涡黏性系数的关系式;基于均匀流的水流运动方程,按照有限差分方法,建立流速横向分布计算模型。该模型具有计算简单、快捷和精度较高的优点,且数值计算不受横向涡黏性系数的结构形式和断面形态的影响。采用明渠水流实验资料验证数学模型,数学模型计算的流速横向分布与实验资料较一致,具有较高的理论意义和应用价值。     

明渠流动条件下单圆墩的阻水效应数值模拟

该文利用数值模拟手段探究明渠流动条件下单圆墩阻水效应特征。数值模型基于商用软件Fluent的气、水两相流模块,自由液面的捕捉选取VOF模型。通过分析明渠水流中单墩柱放置前后局部水位差,建立了阻水效应特性与流态因子之间的关系式。定量分析了墩柱阻水效应的空间影响范围及阻水强度,同时通过系列数值实验率定了单圆墩阻水系数经验公式hw* (y*)= Ae?(y*/B)2中的A、B参数,该经验公式由作者通过物理模型实验获得。研究成果可为大尺度河流水动力模拟中桥梁墩柱的概化提供一定参考依据。     

正交曲线坐标下一种有效的弯道河流数值模型

选取跟踪河道中心线走向的正交曲线坐标系,提出此坐标下的BGK Boltzmann方程,由明渠水流中微、宏观变量之间的基本关系建立了一种有效的弯道河流数值模型。通过对弯道水槽试验进行数值模拟,结果表明模型有较好的模拟弯道水流的能力。     

明渠测流槽不分离水流流量的计算方法

根据边界层理论和临界水深理论，探讨了明渠长喉道测流槽不分离水流流量的理论计算方法。这种方法避免了繁琐的试验率定，适应各种不同形式的渠道断面。     

几种标准断面临界水深、临界底坡正常水深计算通用程序

1 引言水工输水建筑物中,常常采用渠道、涵洞、渡槽等明渠水流。均匀流的运动规律是渠槽水力设计的基本依据,均匀流的特征及其形成条件在分析明渠非均匀流问题时有重要作用。明渠内均匀流动的水深称为正常水深 h_0。临界水深 h_k 是明槽恒定流中判别流态的依据。因此,在明渠水流的水力分析中,计算临界水深 h_k 及正常水深 h_0就具有很重要的意义。     

复式梯形断面临界水深计算公式

 梯形明渠临界水深实质上是求解含一个参数的一元六次方程,理论上无解析解,现已有简捷、准确、通用的直接计算方法;复式梯形断面明渠临界水深实质上是求解含两个参数的一元六次方程,理论上更无解析解。在梯形断面临界水深研究的基础上,经过数学变换,并应用迭代理论,提出了复式梯形断面明渠临界水深的简捷、准确、通用的直接计算公式,最大误差为1.49%,能满足生产实践的需要。     

三峡工程明渠导流通航及数值实验研究概述

通过三峡工程导流明渠导流通航研究及实践，在巨大导流流量和极高通航水流条件下，导流明渠满足了客货轮的通过能力，成功地解决了弯道上明渠导流及施工通航的关键技术问题。在对导流明渠的研究中，运用了小尺度自航船模试验、水流特性数值实验室模型等有关明渠导流及通航的创新技术，改进了明渠体形，解决了特殊情况下明渠通航条件问题。