基于WENO格式的天然河道丁坝群二维水流数值模拟

本文应用高精度WENO(Weighted Essentially Non-oscillatory Schemes)格式结合有限体积法建立了河道丁坝群二维水流的数学模型。采用此模型对实际天然河道丁坝群水流水力特性进行了数值模拟,得到了流速场的分布,并与物理模型试验结果进行比较,表明这类格式精度高,稳定性能好,能够有效地计算复杂边界天然河道丁坝群二维水流水力特性问题。     

山区宽窄相间河道平面二维水流数值模拟

针对山区河道受地质条件及河床演化的影响,其平面形态常呈现宽窄相间的渐变形态特征,采用贴体坐标法剖分正交贴体曲线网格求解域,用有限体积法离散控制方程,以SIMPLER计算程式求解耦合方程,建立山区宽窄相间河道平面二维水流数学模型。将模型计算值与宽窄相间水槽水流试验实测值及水动力学SMS软件计算结果进行比较,结果表明:该模型能够较好地模拟宽窄相间河道平面二维水流运动特性,宽窄相间河道河宽渐变将引起水深和流速的变化,在河道最窄处水深降到最低,流速最大;在河道最宽处水深达到峰值,流速最小。     

溃口近区二维数值模拟与溃坝洪水演进耦合

基于黏土心墙砂石坝的溃决过程,以及溃坝洪水传播和运动的特性,建立黑河金盆水库大坝溃口近区二维数值模型和下游地区溃坝洪水演进耦合数学模型。使用DAMBRK法计算逐渐溃坝,并应用其结果进行后续模拟。采用Abbott-Ionescu六点隐式有限差分格式求解一维模型,采用单元中心的有限体积法求解二维模型方程。采用侧向连接方式,将黑河两岸计算水位点与二维网格单元相连,实现一、二维模型的耦合。采用所建立的二维模型对溃口近区进行计算与模拟,得到计算区域某一时刻的水深及流速分布。应用所建耦合模型对黑河金盆水库万年一遇入库洪水漫顶致溃坝洪水进行数值模拟,得到一维河道内各断面的水位和流量变化过程,以及二维计算区域内不同时刻的水深分布图、流速矢量图和淹没范围变化过程。溃口的形成过程不仅包括漫顶水流的直接作用,同时包括溃口形成过程中两侧漩涡状水流的反冲刷作用。耦合模型可以同时兼顾河道内的水流变化以及河道外计算区域内的洪水演进过程,从而减少由于计算结果偏大或偏小所带来的防洪资源浪费和防洪措施不利等不良影响。     

河道温度及浓度场的平面二维数值模拟

 立了河道水流、温度及浓度输运的水深平均平面二维数值模拟模型，由模拟水流、温度及浓度和紊流3个子模型组成。该模型在计算定解条件 模型参系数取值、河道岸边界和动边界模拟以及水流自动调整计算思想等方面进行了适用可行的处理。应用该模型进行了试验室空腔水槽温度和含沙量场以及长江口南支河段温排水及盐水入侵的数值模拟计算，证明了模型的可行性和适用性。     

河流可视化模型研究与开发

应用VB6.0集成平台,对河道水流一维、二维数学模型进行可视化开发。系统主要的关键技术有河网断面图、二维矢量场、二维标量场、流速、流向验证等的显示。应用该系统,模拟了西江河网各断面的水力要素(水位和流量)、长江昌门溪—大埠街河段的流场和水位场,计算条件的输入、计算结果的显示,都可通过界面输入和菜单操作,实现了河流数值模拟的可视化。该系统人机交互方便、集成度高、模拟精度较高。     

弯曲复式河道水流特性数值模拟研究

为了解二维、三维模型在弯曲复式河道水流数值模拟中的应用情况,利用物理模型试验数据验证二维模型的计算结果,并对断面水面线进行了分析。可以看出,二维数模不适用于弯道水流的局部模拟,而适用于宏观水流流动的模拟。采用三维模型分析了弯曲复式河道中的二次流现象,结果表明,三维数模对于弯道水流的二次流、垂线流速分布模拟效果比较理想,可以得到弯曲河道水流运动的基本规律。     

数学模型在三峡葛洲坝间河道整治中的应用

采用非规则网格有限体积法和显式MacCormack预测-校正数值方法求解水深积分方程,建立了三峡梯级平面二维水流数学模型.数学模型以莲沱河段为例分析了整治前后水流平面流速分布、流态以及水位变化.模拟结果表明,所建立的数学模型合理地模拟了两坝间河道水流现象以及整治前后各水力要素的变化,研究成果可为拟定经济合理的整治方案提供依据.     

察汗乌苏溢洪道流场二维和三维数值模拟对比

为了选择较为理想的研究溢洪道水流特性的数学模型,结合察汗乌苏水电站工程实例,利用数学模拟对其溢洪道流场的水流特性分别进行了二维和三维模拟,分析其可行性和存在的问题。采用标准的k~ε紊流模型描述水流流动、VOF模型跟踪水流自由表面,得到水深、流速和压力等一系列水力要素计算值,并将他与物理模型试验数据对比验证,结果基本吻合。分析研究表明:二维模拟完全满足溢洪道挑流鼻坎段前的水力特性研究需求,如若重点关注挑流鼻坎段水力要素特性,则建议使用三维数值模拟。     

漂流河段水动力数值模拟研究

为了给水利枢纽下游河道整治规划提供技术支撑并提出漂流供水方案,采用二维全水动力模型,对水利枢纽下游河道整治前后不同泄水工况进行模拟。以三河口水利枢纽下游河道为例,河道两侧风景优美且暗礁险滩较少,河床高程为514~526 m,河床砂卵石层厚度5~10 m,为实施漂流项目提供了保证,结合上游水利枢纽调度运行情况,计算了各个泄水工况下不同断面的水力要素及相关统计信息,并根据计算结果提出河道整治及漂流供水方案。结果表明,该二维水动力模型能高效高精度对水利枢纽下游河道进行不同泄水工况下的模拟,为河道水上娱乐设施规划提供了有效的技术支撑,并从节约水资源及减少工程施工量的角度建议对河道进行6 m疏浚,在此工况下上游水利枢纽仅需泄水4 m3/s,此时河床断面最大水深最小值为0.50 m,断面水面最小宽度为4 m,断面最小流速为1.02 m/s。     

基于二维溃坝波数值模拟的生命损失估算

通过界面数值通量以及底坡源项的计算求解无碰撞二维Boltzmann方程,建立了二维溃坝波数值模型.以杭州市余杭镇上游某水库为例,模拟了该水库溃坝后溃坝波的演进过程,模拟结果表明溃坝洪水淹没范围很大,距坝约11 km的下游,水深仍可达4.0 m以上.同时,应用通用的溃坝生命损失模型,在获取网格单元上的水力学参数值（包括水深和最大流速）基础上,输入当地的地形、人口等基本数据,估算了水库溃坝对下游造成的生命损失.该方法可用于其他水库的风险管理分析,为相关部门决策提供依据和参考.