连续弯道水流运动的三维数值模拟

基于雷诺方程和有限体积法建立了描述连续弯道水流的三维数学模型,用Shukry的强弯道试验结果对数学模型进行验证.结果表明,该模型能够很好地模拟弯道内水流的流速分布.采用该模型模拟了在不同弯曲度的连续弯道中的水流运动,结果表明:水流流速在弯顶靠近凸岸处较大,而凹岸处较小,弯顶处的水流断面流速分布和下一个弯顶处呈横向对称,且在两弯顶中间形成过渡.由于水流凸岸流速大于凹岸,因此当河岸类型为可侵蚀河岸时,凸岸将可能向后崩退,形成切滩.随着弯曲度的增大,弯道水流动力轴线更贴近凸岸.当河道弯曲到一定程度,一旦遇到洪水,很可能冲开河岸的束缚发生裁弯取直现象,并发展出新的河道.     

连续微弯弯道水流结构试验研究

采用水槽试验,对连续微弯弯道的水流结构进行研究。通过整理分析枯水和平滩两种典型工况的试验数据,对连续微弯弯道水流的纵向垂线平均流速、水流动力轴线、纵向和横向流速及垂线环流强度分布规律进行研究探讨。研究表明,连续微弯弯道水流具有主流偏向凸岸侧、凹岸近壁处易发生水流分离现象、凹岸侧纵向流速最大点靠近床面、横向环流呈非对称的双环流结构、断面凹岸侧垂线环流强度大于凸岸侧等特点,展现出与一般弯道水流不同的特征。     

弯曲度对弯道水流结构影响的三维数值模拟研究

为了研究天然河道中不同弯曲度（弯道转角）河段的水流结构和演化规律,对同一曲率半径、同 一水深、同一渠宽以及同一边界条件下的弯曲度分别为30°、60°、90°、120°、150°、180°的6种明渠弯道（弯 道断面为矩形）进行弯道水流三维数值模拟。研究结果表明:在相同边界条件下,弯道弯曲度越大,弯道 中弯顶处的水面横比降也随之增大;在靠近凹岸侧,横纵向流速随弯曲度增大而减小;在靠近凸岸侧,横 纵向流速随弯曲度增大而增大;随着弯道弯曲度的增大,横向环流强度也不断增强,横向环流涡心位置 也逐渐向凸岸侧移动。     

黄河什四份子弯道冰下环流特性研究

为分析弯道冰下水流结构与环流分布特征，利用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)对什四份子弯道的冰下流场进行了测量，通过测量弯道的冰厚、水深、流速，分析了弯道断面冰情与冰下环流分布情况。结果表明：弯道冰下水流并不完全呈现双螺旋结构，冰封期环流集中在弯顶凹岸侧和弯顶后凸岸侧，易产生在相邻冰塞之间或是冰塞与河岸之间；环流区域环流旋度沿水深线性增大，非环流区域环流旋度则线性减小，同一位置的不同流层环流旋度大小分布基本一致，弯道后半段大于前半段，弯顶前凹岸侧大于凸岸侧，最大环流旋度位于弯顶凹岸侧，约为0.91。     

弯曲河流颈口裁弯不同阶段水流运动特性

为研究颈口裁弯水动力过程,以黄河源若尔盖盆地的弯曲河流裁弯观测资料为基础,基于不可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程、k-ε紊流模型和有限体积法建立水动力数学模型,通过垂向σ坐标变换考虑自由水面的变化,分析颈口裁弯形成过程中的新河槽分流、三维流场变化和上、下游河道水流结构。伴随裁弯的逐步发展和新河槽的展宽,新河道宽深比和分流比均逐渐增加,分流比与宽深比之间呈线性正相关关系。裁弯初始阶段时,原河道的流速分布基本不受影响。由于新河道分流比逐渐增加,老河道流量、平均水深和平均流速均逐渐减小,新河道流量则逐渐增加,且平均水深和平均流速呈先增大后减小的规律。裁弯不改变颈口上游河道流场,明显改变裁弯下游弯道的弯顶处水流结构。     

水流动力轴线摆幅与弯曲河道曲率关系研究

丹江口及三峡水库运用后,坝下游急弯河段普遍出现了不同程度的切滩撇弯现象,以往研究表明弯曲河道的切滩撇弯是由于水流弯曲半径与河道曲率半径的不相适应所致,水流动力轴线摆动是发生切滩撇弯的基本原因之一,水流动力轴线摆动是水流动力因素与边界条件共同作用的结果。以往研究主要集中于水流动力因素变化对水流动力轴线摆动的影响,然而围绕水流动力因素与边界条件共同作用对水流动力轴线摆动幅度的影响研究较少。以三峡水库下游荆江典型弯曲河段调关-莱家铺河段为例,采用二维水流数学模型模拟了不同流量级条件下本河段的流场分布,绘制了6种流量级条件下的水流动力轴线,选取了多个不同曲率的典型断面,对比各个断面在不同流量级下水流动力轴线的摆动幅度,分析了河道曲率变化对水流动力轴线摆动幅度的影响。结果表明:水流条件的改变是导致水流动力轴线摆动的主要因素,随着流量的增大,水流动力轴线的摆幅逐渐增大,顶冲点位置向下移动,河道的曲率大小影响水流动力轴线摆动对流量改变的响应,河段的曲率越大,这种响应越快,向凸岸侧产生的摆动幅度越大。结合数值模拟结果可以看出,在小流量作用下,水流动力轴线与深泓线基本一致,大流量作用下,水流动力轴线在弯曲河段大曲率处靠近凸岸,与实际发生的冲淤情况一致,这会导致弯曲河段大曲率处容易出现撇弯切滩现象。本次研究可为进一步深入研究三峡水库下游弯曲河道的演变规律提供参考。     

水文实验六十年

丹江口及三峡水库运用后，坝下游急弯河段普遍出现了不同程度的切滩撇弯现象，以往研究表明弯曲河道的切滩撇弯是由于水流弯曲半径与河道曲率半径的不相适应所致，水流动力轴线摆动是发生切滩撇弯的基本原因之一，水流动力轴线摆动是水流动力因素与边界条件共同作用的结果。以往研究主要集中于水流动力因素变化对水流动力轴线摆动的影响，然而围绕水流动力因素与边界条件共同作用对水流动力轴线摆动幅度的影响研究较少。以三峡水库下游荆江典型弯曲河段调关－莱家铺河段为例，采用二维水流数学模型模拟了不同流量级条件下本河段的流场分布，绘制了 6 种流量级条件下的水流动力轴线，选取了多个不同曲率的典型断面，对比各个断面在不同流量级下水流动力轴线的摆动幅度，分析了河道曲率变化对水流动力轴线摆动幅度的影响。结果表明: 水流条件的改变是导致水流动力轴线摆动的主要因素，随着流量的增大，水流动力轴线的摆幅逐渐增大，顶冲点位置向下移动，河道的曲率大小影响水流动力轴线摆动对流量改变的响应，河段的曲率越大，这种响应越快，向凸岸侧产生的摆动幅度越大。结合数值模拟结果可以看出，在小流量作用下，水流动力轴线与深泓线基本一致，大流量作用下，水流动力轴线在弯曲河段大曲率处靠近凸岸，与实际发生的冲淤情况一致，这会导致弯曲河段大曲率处容易出现撇弯切滩现象。本次研究可为进一步深入研究三峡水库下游弯曲河道的演变规律提供参考。     

刚性非浸没式植被对弯道水流特性的影响

该文采用180°U形矩形截面弯道玻璃水槽模拟天然弯道河流,运用声学多普勒流速仪(acoustic doppler velocimeter,ADV)研究刚性非浸没式植被(密度4.47%)对弯道水流纵向流速分布,横向环流及湍流动能(turbulence kinetic energy,TKE)的影响。实验结果表明,当水槽流量较小时,植被对水流的阻碍作用较小,由流速降低而导致的水深增加现象不明显,当水槽流量增大时候,植被对水位的抬升现象明显;水流受植被"阻滞"作用,弯道处纵向流速沿水深分布不再服从"对数型"分布规律,且原本水流受弯道作用后呈现的"上减下增"效果也消失;植被加快了最大流速区向凸岸转移,到达弯道出口时,最大流速区逐渐转移至断面中部区域;在植被的影响下,各断面弯道环流消失;植被会加剧水流紊动效应,导致湍动加剧,TKE增大。上述实验结论将增进研究者对植被对弯道水流特性影响的理解,同时也为泥沙疏浚,河道生态系统恢复提供指导。     

河道中受侧壁影响的断面流速分布规律研究

断面水流流速分布是研究河道水流泥沙运动规律的基础。天然河流断面形态不同,其流速分布特性也有差别:对于比较宽浅的河道,侧壁对断面流速分布的影响较小,流速沿垂线分布梯度较大,垂线上最大流速一般位于水面,垂线平均流速沿河宽方向(横向)分布较均匀;对于较窄深的河道,侧壁对流速分布的影响较大,流速沿垂线分布较均匀,垂线上最大流速一般位于水面以下,垂线平均流速沿河宽分布梯度较大,因此,对于较窄深的河道必须考虑侧壁对流速分布的影响。本文在分析天然河道流速分布特性的基础上,从紊流的雷诺方程出发,推导获得了水流受侧壁影响的横断面流速分布公式和垂线平均流速沿河宽分布的公式。公式计算结果与水槽试验和天然河流实测流速分布资料的比较分析表明,公式能较好地反映流速沿垂线和沿横向的分布特性,具有较好的理论和实用价值。     

黄河什四份子弯道冰期水流及冰塞特征研究

覆冰条件下,弯道水流固有的三维特性更为复杂,对河流弯道冰下水流特征及冰塞的研究有助于推进防凌减灾工作。依据2020年1月稳封期的原型观测数据,对黄河什四份子弯道冰下水流及冰塞特征进行了详细分析。结果表明,弯顶节点工程引起的回流是阻冰的重要条件,上游下潜的冰花因水动力不足及河势等因素影响发生堆积,冰塞在弯内形成并沿凹岸主槽逐渐向上游发展,同时,弯顶卡冰封河与下游较大的水流流速,促进了清沟的形成;入弯至弯顶区间,冰下水流流速垂线分布基本服从双对数分布规律;受凹岸冰塞及回流影响,纵向上,水流流速呈减小趋势,在弯顶附近开始恢复;径向上,河道主流被冰塞压迫并逐渐趋于凸岸,致使弯道主流易位,凸岸水流流速大于凹岸,清沟向凸岸偏移;弯道水流湍动能与雷诺应力主要在近底处存在较大的变幅,表明近底水流运动活跃,且二者大小与流速大小在径向与纵向分布上具有较好的一致性,受冰盖影响,水流湍动能沿水深近似呈"S"形分布,雷诺应力分布无明显规律。     

城市河流生态适宜性平面蜿蜒度确定方法研究

以北京市南沙河为例,从河流生态和行洪安全的角度出发,对城市河流进行探讨分析,旨在确定适宜城市发展的河流平面蜿蜒形态,为城市河流的规划发展提供理论依据。基于河流生态系统结构功能整体性概念模型,选取流速、水深作为特征性指标,以AUTOCAD散点构建南沙河老牛湾附近河段的不同平面蜿蜒形态数据,利用MIKE21模型对所构建的平面蜿蜒形态进行水动力模拟,并对其模拟结果进行梳理。根据系统分析法探讨城市河流不同平面蜿蜒形态与流速水深分布多样性、所选特征鱼类适宜生存流速水深以及河流的行洪安全要求三方面之间的关系,从而确定了蜿蜒度为1.4的平面形态对南沙河老牛湾附近河段的发展建设更为有利,明确了城市河流生态适宜性平面蜿蜒度的定义。     

黄河下游游荡性河道水位涨率偏大的主要影响因素分析

认为影响黄河下游游荡性河道水位涨率的因素是多方面的 ,河宽只是其中的原因之一。利用黄河下游花园口、夹河滩等水文站历次实测大洪水测流断面资料 ,计算了各水文断面不同槽宽的水位流量关系。在洪水涨水阶段 ,同样的流量涨幅 ,等河宽的平均河底高程变化 ,河南河道和山东河道没有明显差别 ,但河南河道的比降是山东河道的 2倍 ,同河宽的水位涨率必然小于山东河道。对游荡性河道已发生的几场水位涨率偏大的原因作了分析 ,认为游荡性河道十分宽浅 ,河势摆动频繁 ,大洪水时形成顶冲、局部壅水 ,它对水位涨率的影响远大于河宽缩窄的影响 ;复式河槽在洪水漫滩后 ,由于滩槽水流的动量交换 ,引起主槽的阻力增大 ,也是导致水位涨率增大的重要原因。     

小浪底水库运用初期游荡性河道整治应与挖河固堤相结合

小浪底水库运用初期，改变了下游来水来沙条件，游荡性河段将普遍遭受冲刷，尽管河床下切可以促进河道稳定，但还不能摆脱横河、斜河等畸形河势的威胁，近期黄科院开展的游荡性河道挖河固堤模型试验结果表明，在游荡性河段只要挖河方案可行，可以达到规顺河势的目的，小浪底水库运用初期下泄清水为游荡性河道局部河段采用挖河方式规顺河势创造了条件，因此这期间游荡性河道整治应与挖河固堤相结合，在局部河段实施挖河疏浚，以促进游荡性河段河道的稳定。     

Simulation of subcritical flow pattern in 180° uniform and convergent open-channel bends using SSIIM 3-D model

In meandering rivers, the flow pattern is highly complex, with specific characteristics at bends that are not observed along straight paths. A numerical model can be effectively used to predict such flow fields. Since river bends are not uniform-some are divergent and others convergent-in this study, after the SSIIM 3-D model was calibrated using the result of measurements along a uniform 180° bend with a width of 0.6 m, a similar but convergent 180° bend, 0.6 m to 0.45 m wide, was simulated using the SSIIM...     

天然河道挟沙水流的复杂行为及其在河型形成中的意义

天然河道挟沙水流具有复杂的力学行为。随着含沙量的增大，挟沙水流能耗率也增大，但当含沙量超过某一临界值之后，能耗率则迅速减小。在这种微观层次上的复杂行为的影响下，河床形态和河型随含沙量的变化也呈现出复杂的面貌，这实质上是挟沙水流复杂行为的宏观表现。本文所揭示的冲积河流河床形态和河型随含沙量变化的复杂图形，对于小浪底水库建成后黄河下游游荡河道的调控治理有重要意义     

斜向进水消力井水力特性模拟研究

水利水电工程中的泄水建筑物出口往往正冲河道,圆形消力井可以很好地适应山区峡谷地形条件的变化,使下泄水流平顺归河。针对一定纵坡条件下,尾水出口与泄槽轴线呈非对称正交的圆形消力井内复杂的水力特性问题,采用有限域数值模拟计算的方法对比验证并补充了物理模型试验成果,进一步开展了沿空间射流方向的相关水力要素机理分析。研究表明:消力井内水流流态依次呈平面横向紊动扩散自由射流、主流动力自相似淹没射流和冲击射流、近壁面附着扩散旋滚水跃3个临界雷诺数分区演变过程;沿程最大流速变化符合试验半经验公式拟合规律且近似呈平面扩散分布;水体压强结构特征可分解为水平轴对称及竖直变幅下的叠加分布。     

考虑河岸冲刷的弯曲河道水流及河床变形的数值模拟

本文将正交曲线坐标系下的平面二维水沙数学模型和粘性河岸的冲刷模型结合，用于模拟弯道内的水流运动、悬移质泥沙的输移、河床的纵向及横向变形.用水槽试验资料验证了本文提出的水流模型，结果表明流速分布、水位等计算结果与实测值相当符合.应用建立的水沙数学模型以及河岸冲刷模型，模拟了一概化弯道在持续清水冲刷下的主流线位置、断面形态、主槽比降的变化过程，模拟结果符合弯道演变规律.     

面流消能近底紊动流速特性的研究(面流消能试验研究之一)

本文主要论述了面流消能五种典型流态近底紊动流速特性,总结出了近底时均流速和紊动强度沿程变化规律,提出了近底紊动流速可能出现的最大瞬时值及相应位置的计算公式。面流消能工程的下游防冲设计中考虑的主要水力参数之一是,消能段近底流速紊动可能出现的最大瞬时值及其相应的部位,但目前国内外研究成果较少。笔者通过水工模型试验重点研究了面流消能各典型流态近底流速及其紊动纵向分量沿程的变化规律,并提出了计算公式,为优化面流设计提供科学依据。     

长江口南港水动力及悬沙的时空分布特征

通过2011年8月中旬一个大潮期间长江口南港某横断面上的5个定点水沙观测资料,分析了南港水动力及悬沙在潮周期及横断面上的分布特征。结果表明:在时间尺度上,南港潮位波动以半日分潮为主,日分潮较小;受径流及Stokes漂流的影响,涨潮流流速明显小于落潮流流速;含沙量随潮波动现象明显,波动频率是潮流的2倍;在空间尺度上,南港纵向流速最大值分布在南侧主槽,转流从北侧副槽率先开始;侧向流主要是由科氏力对纵向流的偏转作用形成;北侧副槽平均含沙量大于南侧主槽;半日潮流驱动下,平均含沙量在急流和憩流时刻将分别增大和降低;半日潮流和余流共同驱动下,在落急时刻和涨急时刻分别会增大和降低平均含沙量。