浅水问题动边界数值模拟

采用基于准确Riemann解的Godunov格式求解浅水流动方程，将仅适用于平底的干底Riemann解推广到处理非平底动边界问题．在计算干底溃坝波的基础上，将该方法应用到有大片滩地的钱塘江河口涌潮计算中，能较好地模拟钱塘江涌潮在滩地上的传播过程．     

河口准三维涌潮数学模型研究

本文依据近年来计算流体力学在计算格式方面的最新成果，提出了一种用于计算包括涌潮在内的近海三维流场的数学模型。模型中，控制方程采用。坐标变换形式；底部摩阻采用对数流速率；运用肛k-ε紊动模型计算垂向紊动粘滞系数，使模型较好地给出水平速度的垂向分布。数值方法上，采用有限体积法离散方程，并用Osher格式计算有限体积交界面通量，使得模型可高精度地捕捉间断；水平方向用无结构三角网格，较好地适应不规则形状边界；用该模型模拟了明渠均匀流和概化河口涌潮的水流运动规律。计算结果表明模型可用于河口区涌潮流场计算。     

浅水流中涌潮的形成

从一维浅水流基本方程出发,推导了小扰动在传播过程中量值变化规律的解(3.7);得到同族特征线交点的一般形式的积分方程(4.4),给出了几个解析形式的特解,利用这几个特解,讨论了涌潮产生的原因、条件及摩阻断面几何形态等因素对涌潮形成的影响。     

涌潮分析与波速计算

本文首先在理论上对涌潮现象进行了分析，指出通常使用的涌潮波速计算公式，尽管是建立在连续方程和动量方程基础之上，但对于近岸浅水涌潮的传播问题并不适用。为此，文中根据连续方程和能量方程推导出新的涌潮波速公式，并与现场实测资料进行了比较，两者十分接近，说明新公式可以用来计算近岸浅水涌潮的传播速度，或用于研究与此相关的其它问题。     

河口海岸国际研讨会部分论文摘要

涌潮数值模拟新进展 潘存鸿 林炳尧 毛献忠 (浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020) 摘要:采用基于Godunov格式的水位方程法(Watcr Level Formulation)求解包括底坡项的二维浅水流动方程,用于底Riemann解处理动边界问题。在典型浅水间断流动算例验证的基础上,经钱塘江河口实测涌潮资料验证,较好地模拟了钱塘江涌潮的发生、发展及其衰减的过程,复演了涌潮的机交和反射、一线潮等现象,对钱塘江涌潮宏观规律的认识有所增加。     

考虑涌潮作用的钱塘江二维泥沙输移数值模拟

钱塘江涌潮前后水位、流速和含沙量等物理量存在突变，给数值模拟带来了很大的困难，传统的数值模型往往不能准确模拟涌潮作用下的泥沙输移。在已建立的二维涌潮数值模型的基础上，应用基于准确Riemann解的Godunov格式建立了二维泥沙数值模型，模型首先检验了纯对流问题，然后模拟了钱塘江涌潮作用下的泥沙输移，计算结果反映了涌潮到达时刻含沙量的突变过程以及涌潮对泥沙输移的影响，揭示了钱塘江河口高含沙量区成因，以及涌潮是钱塘江河口大冲大淤的机理之一。     

涌潮分析与波速计算

本文首先在理论上对涌潮现象进行了分析，指出通常使用的涌潮波速计算公式，尽管得建立在连续方程和动量方程基础之上，但对于近岸浅水涌潮的传播问题并不适用。为此，文中根据连续方程和能量方程推导出新的涌潮流速公式，并与现场实测资料进行了比较，两者十分接近，说明新公式可以用来计算近岸浅水涌潮的传播速度，或用于研究与此相关的其它问题。     

涌潮运动的CFD模拟研究

该文采用课题组自主研发的CIP-ZJU(constraint interpolation profile model in Zhejiang University)模型对涌潮问题进行小尺度数值模拟研究。模型以高阶差分CIP方法为流场基本求解器,离散了纳维-斯托克斯(Navier-Stokes:N-S)方程,采用VOF(Volume of Fluid)类型的具有高精度、紧致的THINC(tangent of hyperbola for interface capturing)方法重构了自由水面。首先对经典溃坝问题开展了模型验证工作,通过与文献实验结果的比较验证模型的有效性;然后将模型应用于涌潮问题的相关研究,重点关注回头潮和水位变化过程,并得到相关规律和结论。该文的工作可丰富涌潮的小尺度数值模型,并可进一步拓宽CIP-ZJU模型的应用领域。     

钱塘江涌潮一维数值模拟

应用有限体积法离散一维圣维南方程,对界面通量采用迎风格式求解,对水面坡降项采用迎风和顺风的加权平均计算。模型模拟了溃坝波、亚临界流等典型算例,并经实测涌潮资料验证,较好地模拟了钱塘江涌潮形成、发展和衰减的全过程。分析涌潮计算成果,加深了对钱塘江涌潮的认识。     

波状水跃和波状涌潮的分析

推导了涌潮中尺度方程，并利用此方程，分析水跃和涌潮的性质，对于水跃和涌潮，色散与耗散两种效应强弱的价值依赖于Ｆｒｏｕｄｅ数的函数，存在着两个临界值，当跃前Ｆｒｏｕｄｅ数大于第一个临界值时，水跃和涌潮从单调形态转化为波动形态，随后，波陡随Ｆｒｏｕｄｅ数增大，当Ｆｒｏｕｄｅ数大于第二个临界值时，自由表面破碎，波状涌潮转化为强涌潮，对于涌潮，绝对流速，即落潮流速，对色散波的周期，波长与振幅也有影响。数值     

钱塘江涌潮压力的分析与研究

对钱塘江涌潮的形成过程作了简单介绍，然后利用波浪力经验公式对涌潮压力进行计算并与实测的涌潮压力进行对比和分析，得出如下结论：（1）浅水长波理论和驻波理论可用于涌潮压力的初估；（2）实际的涌潮压力在以波面为零点的静水压力值附近波动；（3）涌潮动压力在低潮位偏下的位置达到最大值，然后逐渐减小。     

涌潮作用下丁坝附近水流运动特性的数值模拟研究

采用压力隐式算子分割法(PISO)求解雷诺时均方程和RNGκ-ε紊流模型,建立了描述涌潮作用下丁坝附近水流运动规律的数学模型。水流的控制方程采用有限体积法离散,物理变量采用交错网格布置,自由表面应用流体体积(VOF)法追踪。该数学模型得到实测资料的验证后,数值模拟了钱塘江涌潮作用下丁坝附近的流场、自由水面、涌潮变形和涌潮压力的变化规律等。结果表明:丁坝附近水力特性受涌潮影响较大,来潮初始,丁坝附近紊动强烈,流场和自由水面变化很大;丁坝上涌潮压力急剧增大,且丁坝不同高程处的压力几乎都在同一时刻达到其最大值。     

高阶涌潮方程的一种数值方法

涌潮潮头处,水位骤涨,相应地,流速的铅垂分量必有一定大小.考虑这个分量以后,压力不再符合静水压力分布律,据此可以得到高阶浅水流动方程.采用龙格库塔法求该方程的数值解.结果表明,强度较小时,涌潮是表面光滑,波幅渐次减小的波列,强度大到一定程度,表面破碎,进而发展成为溯源推进的水滚.     

考虑涌潮作用的钱塘江二维泥沙输移数值模拟

钱塘江涌潮前后水位、流速和含沙量等物理量存在突变,给数值模拟带来了很大的困难,常规的数值模型往往不能准确模拟涌潮作用下的泥沙输移。在已建立的二维涌潮数值模型的基础上,应用基于准确Riemann解的Godunov格式建立了二维泥沙数值模型,模型首先检验了纯对流问题,然后模拟了钱塘江涌潮作用下的泥沙输移,计算结果反映了涌潮到达时刻含沙量的突变过程以及涌潮对泥沙输移的影响,揭示了钱塘江河口高含沙区的成因,以及涌潮是钱塘江河口大冲大淤的机理之一。     

涌潮水流CFD数值模拟

涌潮是一种对涉水建筑物冲击巨大的非线性强间断流,实现涌潮的小尺度精细模拟是分析涉水建筑物在涌潮作用下结构稳定性的前提。采用大涡模拟(LES)技术求解N-S方程,利用流体体积法(VOF)实现对自由水面的追踪,边界上给定基于涌潮理论公式推导出的涨潮流速与水深条件,进行了涌潮的小尺度精细模拟。结果表明,数值模拟得到的涌潮传播速度与理论值比较接近,Fr < 1.3时为波状涌潮,Fr>1.5时为旋滚涌潮,涌潮形态分区与前人的试验成果吻合。在涌潮传播过程中,潮头处流速最大,且表层流速波动幅度始终大于中低层流速波动幅度,旋滚涌潮潮头水体紊动比波状涌潮强烈。模拟结果同时表明涌潮潮前水深与涌潮高度是影响潮头流速波动和形态的主要因素。上述涌潮模拟方法可为涌潮河段涉水建筑物的结构设计及安全评估提供参考。     

钱塘江河口潮波变化过程

2000年9月，组织实施了钱塘江河口潮涌同步观测，获得潮波变形过程的完整资料。潮波穿过杭州湾，潮差大幅增加，自湾顶澉浦开始，河床溯源抬升，在浅水效应影响下，潮波变形加剧，进而形成涌潮。形成以后，因涌潮后潮波仍处涨潮状态，指向上游的特征线聚集，涌潮高度与当地潮差的比值继续增大。涌潮逐渐成为整个涨潮波面。随后，因涌潮后潮波已进入落潮阶段，特征线分散，涌潮渐弱，潮位曲线出现双峰，且延伸相当距离。     

基于二维涌潮数值模拟的钱塘江九溪涌潮保护方案研究

城西南排通道工程规划出口位于钱塘江九溪一带,工程的建设将使该处形成涌潮景观的地形条件发生改变。基于保护钱塘江涌潮景观的考虑,研究通过优化出口工程布置,提出3个就近保护涌潮的方案。通过采用基于Boltzmann方程、KFVS(kinetic flux vector splitting)格式建立的平面二维涌潮数学模型,在实测水文资料验证的基础上,计算涌潮保护方案实施前后的流场及涌潮传播特性,创新性地从构筑物近区涌潮高度、涌高明显的岸线长度和涌高明显的区域面积等3个指标综合评判涌潮效果。研究结果表明,通过采取工程措施,合理优化工程布局,可较好保护九溪涌潮景观。     

空间均化水文模型及其验证

本文基于空间均化方法构建了空间均化水文模型SAHM.该模型采用基于空间均化方法建立的宏观尺度水文控制方程描述了计算单元内入渗、壤中流和坡面汇流等基本水文过程,在方程中直接包含了土壤饱和导水率和微地形的空间非均匀性,使SAHM在保持传统"点"尺度方程机理性的同时从理论上避免了方程适用尺度和模型应用尺度的不匹配问题.模型在半干旱半湿润的沁河流域上游进行了验证,并对模型参数敏感性进行了分析,结果 表明,模型具有较高的计算精度和计算效率,可用于大中尺度流域水文模拟、水资源评价和洪水预报.     

钱塘江涌潮的一维数学模型

钱塘江以涌潮壮观闻名世界,但涌潮对沿江堤防和航行船只均有巨大危害。在整治后的钱塘江中,涌潮消灭了还是加强了,是工程规划设计者所特别关心的问题。 水力学中对涌潮的数值处理方法与气体动力学中对激波的数值处理方法十分相似,也有装配法和捕捉法。后者又可分成人工粘性和格式粘性两种法则。室内试验或野外观测的成果证实了这些方法都有其一定的可靠性。 用特征线法求解描述潮波运动的圣维南方程,并让涌潮前后的水位和流量之间满足     

钱塘江九溪涌潮重塑在工程实践中的探索研究

为保护钱塘江涌潮景观、减小涌潮危害,重塑钱塘江九溪涌潮,变潮害为潮景,使涌潮可赏、可控、安全。应用KFVS格式建立二维涌潮数学模型,在实测水文资料验证的基础上,计算优化方案实施前后的流场及涌潮传播特性,从构筑物近区涌潮高度、涌高明显的岸线长度和涌高明显的区域面积等3个指标综合评判涌潮重塑效果。通过物理模型试验,模拟涌潮的形成与传播过程,分析比较各方案实施前后工程区域附近涌潮传播过程的壅高、越堤等变化情况,进一步验证了重塑效果。研究结果表明,通过优化工程布局,采取工程措施,钱塘江九溪涌潮重塑具有可行性,既能保留九溪涌潮特性,又能实现安全观潮。