平面二维溃坝水沙输移动床数学模型研究

为数值模拟溃坝洪水作用下泥沙输移及河床变形,建立了无结构三角形网格的平面二维水沙耦合数学模型。水动力学模型采用浑水流动方程,考虑了泥沙输移及床面冲淤变化对水流动量的影响;泥沙输移采用不平衡泥沙输移模式。模型数值计算格式采用守恒性较好的有限体积法,单元界面的对流通量采用基于近似黎曼解的Roe格式计算,扩散通量采用中心格式,不平衡泥沙输移方程采用坡度限制的二阶空间精度格式离散。模型经经典算例和小尺度瞬间全溃的动床实验资料检验,水面、床面及流速等计算结果与实验资料或解析解等比较吻合,分析了动床与定床水面及洪水传播速度的差异。在上述检验的基础上,采用动床模型对某河道型水库溃坝诱发的水沙运动进行了数值模拟,结果表明溃坝洪水下水流、泥沙及河床变形发生强烈的相互作用,采用水沙及河床变形耦合的数学模型是必要的。     

平面二维溃坝水沙输移动床数学模型研究

为数值模拟溃坝洪水作用下泥沙输移及河床变形，建立了无结构三角形网格的平面二维水沙耦合数学模型。水动力学模型采用浑水流动方程，考虑了泥沙输移及床面冲淤变化对动量的影响；泥沙输移采用不平衡泥沙对流扩散方程描述。模型数值计算格式采用有限体积法，单元界面的对流通量采用基于近似黎曼解的Roe格式计算，扩散通量采用中心格式，不平衡泥沙输移方程采用坡度限制的二阶空间精度格式离散。模型经经典算例和小尺度瞬间全溃的动床实验资料检验，水面、床面及流速等计算结果与实验资料或解析解等比较吻合。在上述检验的基础上，分别采用动床及定床模型对浙江省某河道型水库溃坝诱发的水沙运动进行了数值模拟，结果表明动床下的溃坝洪水的传播速度快于定床，动床与定床的水位、流速差异很大，这说明溃坝洪水下水流、泥沙及河床变形发生强烈的相互作用，采用水沙及河床变形耦合的数学模型是必要的。     

基于有限体积法及FDS格式的感潮河段二维泥沙冲淤模型

本文以木兰溪下游裁弯河段为例，建立了有限体积法的水平二维非恒定流均匀沙不平衡输移计算模型。采用黎曼近似解通量差分裂(FDS)格式计算通过各单元边的水流、含沙量法向数值通量，并应用相关的悬移质、推移质河床变形计算公式计算冲淤变化。数值模型经相应的河工模型试验资料率定、检验后，预测了裁弯工程建成后河道可能的冲淤变化，为工程设计和施工提供依据。     

广佛过江隧道河段极限冲刷数值模拟

针对广佛过江隧道河段水流泥沙运动及河床冲淤变化,从平面二维非恒定水流运动方程、不平衡泥沙输移方程及河床变形方程出发,建立了二维动床数学模型。以隧址附近河道典型实测水流、泥沙及河床冲淤的实测资料对模型进行了验证。在此基础上开展了过江隧道河段在极端洪水作用下河床最大冲刷深度的数值模拟,预测结果与动床物理模型及实测资料河床演变的成果基本一致,进一步表明了动床数学模型的可靠性,预测成果可为过江隧道的合理埋设提供参考依据。     

动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型

现有大部分溃坝水流模型仅适用于模拟定床条件下的水流演进，但溃坝水流经常可在动床条件下演进。因此非常有必要同时模拟溃坝洪水演进时的水沙输移及床面冲淤过程。本文首先建立了动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型。该模型主要由二维浑水控制方程、非均匀沙不平衡输移方程及河床冲淤方程组成，采用水沙耦合解法以及基于无结构三角网格下的有限体积法离散。同时利用Roe-MUSCL方法以及时间方向的预测-校正格式，使模型在时空方向具有二阶计算精度。然后采用已有算例及水槽试验资料对模型进行了初步验证。最后采用该模型研究了均匀沙及非均匀沙床面对典型溃坝水流演进的影响。模拟结果表明溃坝水流在定床及动床条件下的演进过程明显不同。溃坝水流因流速大，床面变形较快，且床面冲淤速率可与水流变化速率相当，故需要采用浑水控制方程及耦合解法。     

平面二维非均匀沙数值模拟方法

本文基于三角形网格划分，从平面二维水流泥沙的基本方程及基础理论出发，针对方程的基本特性采用剖开算子方法，将水流运动方程及悬移质扩散方程剖分成对流、扩散及传播三部分并提出了各自相应的计算方法；连续方程采用有限体积法进行计算，保证了水量的守恒；泥沙计算中采用平面二维非均匀沙水流挟沙力公式，并着重对河床冲刷过程中悬移质含沙量、级配，床沙级配等沿时空变化特性进行了计算分析，模拟了概化河道中床沙抗冲层的形成过程.数值实验表明，该方法边界符合良好，计算量小，能准确地模拟河床冲刷过程.     

动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型

现有大部分溃坝水流模型仅适用于模拟定床条件下的水流演进,但溃坝水流经常是在动床条件下演进.因此非常有必要同时模拟溃坝洪水演进时的水沙输移及床面冲淤过程.本文首先建立了动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型.该模型主要由二维浑水控制方程、非均匀沙不平衡输移方程及河床冲淤方程组成,采用水沙耦合解法以及基于无结构三角网格下的有...     

航道整治工程泥沙数学模型的构造及计算方法

建立了正交曲线坐标系下二维紊流全沙数学模型，水流模型采用紊动动能和紊动耗散率闭合雷诺方程，把悬移质输沙概化为单纯淤积、单纯冲刷和淤粗冲细三种情况，依据悬沙与床沙交换机理建立了挟沙能力和非均匀沙分组挟沙能力的表达式．在水流输运及分组含沙量输运方程的离散过程中，采用守衡性较好的控制体积法和SIMPLEC计算程式，以提高计算稳定性和加快收敛．本模型对复杂条件的河床适应性较强，为平面二维长河段的河床变形计算进一步创造了条件．     

双峰型非均匀沙粗细颗粒相互作用对推移质输移的影响

为研究粗细颗粒间相互作用对非均匀沙输移的影响,采用推移质动态采集、图像识别和多普勒测速技术,实现了瞬时输沙量、颗粒组成与近壁脉动流速的实时同步监测。针对双峰型非均匀沙进行了211组推移质系列水槽试验,分析表明:推移质输移量与粗沙拣选度的随机波动与紊动猝发引起的流速脉动具有响应关系;推移质中细粒基本保持持续输移,而粗粒输移则具阵发性,并遵循促发、触发与失怙3种模式;颗粒组成结构对3种模式的实施过程有重要影响;它制约着泥沙中细粒对粗粒的激励、碰撞和解怙强度,使得推移质总沙、细沙和粗沙输移率随床沙组成的改变各自呈现出不同的变化规律;水流强度一定时,随床沙粗细比的减小,输沙率呈驼峰型曲线变化;只有适宜的粗细颗粒搭配(ηc)才能使非均匀推移质输沙率达到峰值,且大于该床沙组成中任一均匀沙的输沙率。     

荆江重点浅滩整治的二维动床数学模型研究

本文针对荆江河道边界形状复杂、长宽相差悬殊及水沙具有明显的二维特征．建立了贴体正交曲线坐标系下河道二维动床数学模型。给出了正交曲线坐标系下二维动床数学模型的控制方程、控制方程的离散及数值解法、边界条件及动边界技术。细致地模拟了荆江卵石夹沙河床及沙质河床浅滩河段的水面线、流速场、含抄量浓度场及河床变形。计算的水位、流速分布及河床变形与实测资料吻合良好。在分析河床演变规律及浅滩成因的基础上．进行了不同组次来水来沙水文年的多个整浩方案的数值试验，探讨了重点浅滩段整治原则及整治工程的初步布置。     

水库下游冲刷的数值模拟—模型的构造

由于水库下游冲刷过程中悬移质与推移质、推移质与河床质、河床质与悬移质交换机理及床沙粗化机理的复杂性,使得研究水库下游冲刷数学模型的难度较大。 为了研究水库下游冲刷、河床演变问题及由此而引起的对防洪、航运等造成的影响,本文建立了一维全沙数学模型,模型考虑了非均匀悬移质不饱和输移、非均匀沙推移质输移及床沙级配的调整。文中考虑了冲刷过程中挟沙能力的沿程调整,挟沙能力包括以下三个方面,即悬移质中细颗粒部分从累计效果看不参予与床沙交换(冲泻质),这部分泥沙全部计入挟沙能力;悬移质的粗颗粒部分落淤到床面与床沙交换后部分地计入挟沙能力;床沙中可悬浮部分从床面冲起后部分地计入挟沙能力。非均匀沙推移质输沙率公式考虑了床沙运动的随机性及床沙粗化对输沙率的影响。床沙级配的调整采用CARICHAR混合层模型。对计算中经常遇到的关键性问题提出了处理方法。     

支流河口水沙运动的二维数学模型研究——以长江上游的嘉陵江河口为例

本文建立了一个支流河口水沙运动的二维数学模型．采用贴体正交曲线坐标克服了干支流汇合处河道边界形状复杂的困难，给出了正交曲线坐标系下二维全沙模型的基本方程及数值计算方法．以长江上游的嘉陵江河口为例，分析了支流河口河段水沙特性及浅滩成因，模拟了汇合口河段流场及泥沙冲淤分布，计算值与实例值吻合良好．为支流河口浅滩演变及整治研究提供了一种新的模拟方法．     

黄河内蒙段泥沙组成与力学运动特征

泥沙在水与河床演变中起到纽带作用,因粒径不同,其运动形态、运动规律以及对河床的作用等不尽相同。因此,研究河床演变就不能轻视泥沙的运动特性,尤其是黄河内蒙河段这种水沙异源的河道。根据实测和实际钻探采样资料,分析了该河段悬移质和河床质的泥沙组成。并以此为基础,从起动扬动、悬浮高度、挟沙能力等角度探讨了主要粒径泥沙在一定水流条件下的运动形态与规律。通过能量和功率方程求得黄河内蒙河段的推移质输沙率。结果表明,内蒙河段悬移质基本上由粒径小于0.080 mm的泥沙组成,而河床质主要粒径为0.100~0.500 mm,其中粒径为0.100~0.250 mm的泥沙活跃于冲淤过程。推移质输沙率的分析表明,来自黄河内蒙古河段上部的粗颗粒泥沙不易被水流长距离挟带,大部分淤积在三湖河口上游。     

MATHEMATICAL MODELLING OF DEGRADATION AND FLUVIAL PROCESS DOWNSTREAM RESERVOIRS

1 .　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＡｆｔｅｒｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆａｌａｒｇｅｈｙｄｒｏ ｐｒｏｊｅｃｔ ,ｔｈｅｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｅｒｏｓｉｏｎａｎｄｉｔｓｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｆｌｕｖｉａｌｐｒｏｃｅｓｓｄｏｗｎｓｔｒｅａｍｔｈｅｄａｍｉｓｎｏｔａｌｗａｙｓａｄｖａｎｔａ ｇｅｏｕｓｔｏｆｌｏｏｄｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎ .Ｉｔｍａｙｃａｕｓｅａｓｅｒｉｅｓｏｆｐｒｏｂｌｅｍｓ ,ｓｏａｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｓｈｏｕｌｄｂｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｆｏｒｅ…     

非均匀沙的运动机理及输沙率计算方法的研究

本文较为系统地研究了非均匀沙运动机理及输沙率的计算方法，在建立泥沙运动交换模式的基础上，指出现有非均匀泥沙动动流速公式存在的不足并对此作了修正，然后分别讨论了推移质分组输沙率、悬移南分组兵沙力和全沙输沙率的计算方法，得到的有关公式均用实测资料作了验证计算，结果表明它们是合理、可靠的，可在理论研究和生产实践中参考应用。     

泥沙运动统计理论前沿研究成果

本文是作者数十年来以力学和概率论相结合的途径,广泛、深入研究泥沙运动统计理论的主要成果。其中包括泥沙运动的概化模式;单颗泥沙运动力学及统计规律;床面泥沙4种状态之间的转移概率及交换强度;不同状态之间的多种输沙率(而不是现有的两种)研究;泥沙起动规律及起动流速;从理论上导出的床面泥沙的边界条件;一维不平衡输沙规律及相应的数学模型;推移质与床沙和悬沙同时交换的不平衡输沙;床沙冲刷粗化与交换粗化规律;推移质点源、线源及退化面源扩散。另外,文中还给出了由泥沙运动统计理论带动的泥沙研究领域其他成果,如挟沙能力级配及有效床沙级配、粗细泥沙交换、挟沙能力多值性以及黄河高含沙量时的"揭底冲刷"。     

基于洪水涨冲落淤特性分析游荡性河道双岸整治对冲淤的影响

基于黄河下游及主要干支流、美国密苏里河和密西西比河的实测资料,分析了低含沙洪水和高含沙洪水的输沙与冲淤特性。研究表明,河道沿程比降虽然变缓,但河宽变窄,流速沿程增加,是造成冲积河流保持洪水输沙平衡的边界条件。底沙的运动比洪水波传播得慢,是造成洪水在河道中长距离冲刷的根本原因,而与河道的比降陡缓关系不大。河道输沙特性呈现"多来多排",是形成河床沿程冲刷的水流动力条件。通过黄河下游河道双岸整治,河道形成窄深、归顺、稳定的河槽,使洪水造床和输沙作用增强,从而对河道冲刷作用增加。     

杭州运西河网沿程含沙浓度和淤积规律研究

为了研究泥沙在杭州运西河网内的沿程输移淤积规律,基于非均匀沙不平衡输移理论,结合黏性非均匀沙起动概率公式和非均匀沙水流挟沙能力公式,得到改进后的河网悬移质沿程含沙浓度计算公式。计算了杭州市从钱塘江引水至运西河网“四港四河”内的悬移质沿程含沙浓度及河网沿程淤积率。结果表明：河网引入钱塘江水后,河网内悬移质含沙浓度呈明显的沿程减小趋势。在引入流量相同时,河网淤积率随引入水体含沙浓度的增大而增大;当引入水体的含沙浓度相同时,河网淤积率随引入流量的增大而降低。研究结果可以为该区域河道清淤提供参考。