丁坝周围流动图像与局部冲刷深度

为了研究非淹没丁坝局部冲刷问题,分析丁坝周围流场的实验和数值模拟数据,发现马蹄涡间存在强弱对比和坝头处横向流速占优的现象,提出以5个马蹄涡组成的涡系为主体的流动简化模型,建立丁坝局部冲刷问题的计算模型.计算模型通过考虑垂向流速影响,修正平板绕流解析解,得到适合三维流动的流量计算公式;基于水流连续性和冲刷平衡条件,建立正挑矩形丁坝在清水均匀沙床面情况下最大相对冲深与相对坝长的1/2次方和无量纲流速的1次方的半理论关系,并由现有实验数据确定未知参数值.运用半理论公式得到的计算值与实测数据符合良好,表明流动简化和计算模型合理.     

正态曲面丁坝三维水流数值模拟

针对丁坝周围流动呈强三维紊流特征,相应坝头局部床面不可避免地产生冲刷坑,严重时导致丁坝水毁的问题,提出正态曲面形式的新型丁坝结构,可以优化丁坝周围水流结构,减小坝头局部冲刷.基于三维数值模拟研究新型丁坝的水动力特性.结果表明,与梯形丁坝相比,正态曲面丁坝可以起到平顺水流、减少剧烈紊动和增大过流面积的作用,避免流线过度弯曲和集中,减小丁坝周围的涡量强度,在一定程度上减弱坝头水动力.坝头曲面能够削弱坝头下潜流的冲刷作用,降低坝头局部冲刷深度,利于丁坝稳定.     

离散涡法模拟建筑物绕流流场

应用离散涡数值方法对高雷诺数下建筑物绕流流场进行了数值模拟，得到了不同相对位置、相对距离的建筑物在不同来流方向的分离流场和涡量分布，总结出受建筑物影响的流函数变化规律，取得了较为合理和可靠的计算结果，说明离散涡方法是研究建筑物的绕流问题的有效手段。     

L头丁坝绕流水力特性的三维大涡模拟

为了解决实际河道中丁坝附近的冲刷和淤积问题,必须探明其水力特性的分布规律.采用气液两相流混合模型结合大涡模型(Large Eddy Simulation)对不同平行导流墙长度下L头丁坝绕流三维水力特性进行数值模拟研究.采用有限体积法离散计算区域,速度与压力耦合方程组求解时使用半隐式SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法,模拟自由水面采用了VOF(Volume of Fluid)法.对不同平行导流墙长度下丁坝附近回流区域和涡量分布"云图"进行分析比较,得出当平行导流墙长度与丁坝坝轴线长度相等时对丁坝后漩涡的限制效果最好;平行导流墙长度对水槽中水流流速的影响很小,可以忽略.在河道中合理布设L头丁坝可以减小漩涡回流区范围,但对主流区流速的影响很小.     

基于SFM方法的不同倾角桥墩绕流局部冲刷特性试验

桥墩绕流冲刷是水流、泥沙和桥墩三者相互作用的结果,桥墩周围复杂的水沙运动关系是造成桥梁水毁的重要原因。定量分析桥墩冲刷地形特征规律及其与水流之间的相互作用关系,是深入研究桥墩绕流水沙作用机理及实际工程应用的重要突破口。本文开展两种坡降条件下不同倾角均匀沙动床桥墩绕流冲刷试验,并沿下游方向设置四个模型倾角0°、5°、10°、15°。使用粒子图像测速系统（Particle Image Velocimetry,PIV）测量桥墩绕流二维流场,并基于运动摄像恢复结构技术（Structure From Motion,SFM）实现冲刷地形三维重构,在此基础上分析床面冲刷三维地形结构和绕流流场特征,以构建紊流结构与冲刷地形相互耦合作用关系。结果表明：（1）SFM方法可实现冲刷地形三维结构重构,冲刷试验平衡时,模型前方和两侧冲刷坑较深,后方冲刷坑出现凸起,沿水流方向倾斜顺延上升至床面。（2）冲刷坑尺寸、面积和体积均随水流强度增大而增大,随倾角增大而减小。不同截面处冲刷坑面积、体积随坑深呈开口向上抛物线趋势增大。（3）桥墩模型对后方流向流速扰动范围随倾角增大而减小,对展向流速影响范围随倾角增大而增大。（4）随模型倾角增加,旋转强度与剪切应力影响范围均减小。剪切应力下切较易形成桥墩周围较深冲刷坑,而位于桥墩两侧大尺度流向涡向下游延伸,将促使桥墩后侧方浅长凹槽形成。     

边界拟合坐标涡量一流函数绕物体流动计算

列出了用边界拟合坐标表示的涡量一流函数绕流计算偏微分方程组，及其交替隐式有限差分和显式有限差分方程组。用自动调控边界计算了矩形区域单园柱绕流运动，其有无穷域绕流特征。绘制了速度矢量分布图，和流函数，涡量，两个分速度及压强的等值线分布图。     

丁坝紊动场及其工程意义

丁坝诱发的紊动场水流明显不同于一般水流，大尺度涡发展剧烈并存在一强冲刷带，制约着丁坝水流分区和回流问题研究，坝头涡的近距效应受坝头几何型体的影响，表现为两种不同的冲坑型态，对坝头结构、丁坝回流和坝距确定的研究产生重要影响。     

壁面凸体层流绕流流场的数值计算

采用贴体坐标变换方法将直角坐标系中不规则的流动区域变换成规则的计算区域。对求解原始变量的ＳＩＭＰＬＥＲ方法进行了改进，应用有限分析法给出了由正常网格求解原始变量的迭代方法，然后计算了台阶绕流和任意凸体绕流的流速、压力场。计算结果表明该方法简单有效，压力、速度收剑效果好，计算精度较高，可以用于计算各种流动区域的流场。     

壁面凸体层流绕流流场的数值计算

采用贴体坐标变换方法将直角坐标系中不规则的流动区域变换成规则的计算区域．对求解原始变量（ｕｋ，ｐ）的ＳＩＭＰＬＥＲ方法进行了改进，应用有限分析法给出了由正常网格求解原始变量的选代方法．然后计算了台阶绕流和任意凸体绕流的流速、压力场．计算结果表明该方法简单有效，压力、速度收敛效果好，计算精度较高．可以用于计算各种流动区域的流场．     

用贴体坐标方法计算后向台阶内圆柱绕流问题

本文采用涡量一流函数方法，应用贴体坐标技术来研究后向台阶粘性流动，利用作者提出的多连通区域分块计算方法研究了流动区域内含一圆柱体的粘性流动问题。在圆柱体表面上用粘性条件确定流函数值。得到后向台阶内绕流问题的数值解。此法可推广到求解有限区域内多体统流问题。     

正挑桩式丁坝壅水特性及其冲刷深度计算模式理论

作为一种新型河工建筑物,桩式丁坝对水流及河床的影响亟需可靠的定量研究。为此,在前人研究的基础上,结合室内试验,分析了正挑桩式丁坝区域水流特性及其冲坑特征。采用叠加水头损失的方法并以此建立能量方程式,得出桩式丁坝壅水高度的计算公式。在此基础上,通过进一步理论分析,结合试验验证,对桩式丁坝局部冲刷深度进行了探讨。首先建立了坝头水流叠加模式,进而得出了坝轴断面的流速分布式,并推导出了正挑桩式丁坝局部最大冲刷深度的理论计算公式。所建立的壅水高度和最大冲刷深度计算公式具有清晰的数学模式和明确的物理意义,并得到了室内试验的验证,可为工程设计提供技术依据。     

非恒定流作用下丁坝局部冲刷研究

丁坝水毁受多种因素的影响,通过水槽概化模型试验,在天然河流日均流量过程作用下,分别对比了相同重现期时年最大洪峰流量和有效洪水周期遭遇、年最大洪峰流量和半月最大洪水总量遭遇丁坝局部冲刷的程度,指出洪峰流量对冲刷深度起主导作用,洪水总量对坝头冲刷坑范围起主导作用,有效洪水周期对冲刷坑范围及冲刷深度均起其主导作用,并对非恒定流作用下坝头冲刷坑的发展过程进行了分析。     

Numerical investigation of flow pattern and components of three-dimensional velocity around a submerged T-shaped spur dike in a 90° bend

Spur dike is one of the river training structures. This work presented a numerical simulation of flow field and three-dimensional velocity around a T-shaped spur dike located in bend using SSIIM model. The main objective of this work is to investigate the three-dimensional velocities and streamlines at transverse and longitudinal sections and plan views around the T-shaped spur dike in different submergence ratios(0, 5%, 15%, 25% and 50%). It is concluded that by increasing the submergence ratio from 5% to 50%, the maximum of scour is reduced; the maximum of longitudinal velocity increases by 7.7% and occurs at the water surface in spur dike axis. Near the bed, the maximum of vertical velocity occurs at the end of spur wing. By analyzing the streamlines at transverse sections, the followings were deduced for different submergence ratios: different dimensions and different positions of vortices around the spur dike.     

管道中圆化突体绕流边界拟合坐标数值解法

本文利用边界拟合坐标变换计算管道边壁突体绕流的速度和压力分布。文中给出了流函数方程及边界条件的坐标转换形式和离散格式，采用了强隐式（ＳＩＰ）迭代法，分别对具有弓形和半弓形突体的直管进行了计算。与文献［１］中的试验和有限元计算结果对比，本文计算成果更接近于文献［１］中的试验结果     

曲线坐标系下平面二维水流水质模型的修正

采用边界处正交的曲线网格生成技术处理水流不规则的计算区域边界,基于有关弯道水流流速分布的研究成果,计入弯道环流引起的横向的动量交换,建立了曲线坐标系修正的平面二维水流水质数学模型.采用修正后的模型对实际弯道水流和污染物的扩散输移进行了数值模拟,并与原模型的计算结果及实测资料进行了比较,结果表明该模型能够有效地模拟流线弯曲的复杂水流的水力特性和水质分布.     

三维紊流模型在丁坝中的应用

对淹没丁坝水流三维计算进行了研究和探讨,采用标准k-ε模型结合璧面函数的方法,模拟分析了丁坝淹没情况下丁坝附近的流场、紊动能及耗散率的分布,并把计算结果与实验资料进行了对比分析,计算值和实验值符合较好.此外,模型较好地模拟出了丁坝顶端的分离流、坝后回流及回流区横断面上的二次流.     

丁坝附近局部流场的数值模拟

以流函数涡度方程为控制方程建立数学模型 ,模拟了不同流量级下不同长度正交丁坝附近的局部流场 ,并将模拟结果与室内流场实验结果进行了比较和分析 ,两者吻合较好 .     

正交曲线坐标系下二维浅水方程的变换

在平面二维明渠非恒定流的研究中,常采用边界拟合坐标技术建立二维正交曲线网格,但是直接推导坐标变换后在正交曲线坐标系下的二维浅水方程比较困难.本文给出了一种应用张量分析的推导方法,利用该方法简单、准确地给出了正交曲线坐标系下的二维浅水方程的具体形式,该方程已经广泛地应用于明渠水流计算中.     

非淹没丁坝坝头冲刷深度的计算

基于丁坝坝头水流结构 ,提出了坝头绕流挤压流动模式 ;由此根据有效局部水流连续原理 ,建立了丁坝坝头冲刷深度计算公式 ,该式涉及因素较全面 ,公式建立过程中所使用的数学模式清晰 ,物理意义明确 .经野外及室内资料验证表明 ,计算与实测结果较为吻合 ,具有较好的适应性