最小能耗率原理及其在河流动力学中的应用

本文系统地介绍了最小能耗率原理及其在河流动力学中的应用概况，以期引起更多人们的关注，使该理论研究进一步深入完善．     

长江中下游分汊河段的整治

 长江中下游宜昌至徐六泾段全长1 710 km,共有分汊河段55段,可分为顺直形、微弯形和鹅头形3种汊道。主汊和支汊兴衰交替是分汊河段河道演变的共同特点,大多数汊道主支汊交替周期长,是一种相对稳定的河床形态。在长期的演变过程中,分汊河道的河床总体上处于相对平衡状态,具有与其上下游单一河段相当的泄洪能力。长江中下游分汊河段的综合整治应依据“稳定分汊河势、适度减少支汊、合理利用洲滩”的原则,结合各河段情况制定整治方案;武汉河段的整治宜根据近期河道演变和环境保护要求,采用保持天兴洲汊道为双汊河段的基本方案。     

游荡性河道的分汊河段整治方法探讨：漳河陈村险工整治

游荡性河道分汊河段整治整治方法较多，陈村险工位于分汲河段的右汊，１９９０年城水库下泄５００ｍ＾３／ｓ，陈村险工右堤几乎决口。分析了产生横流的成因后，在分汊河段进口建４座透丁坝，并按１００ｍ＾３／ｓ疏挖左汊引河，用丁坝挑流入左汊，透上 缓流促淤堵塞右汊，以免除中小水对陈村险工的威胁。     

应用最小能耗率原理优化设计不冲不淤渠道

最小能耗率原理认为,河流系统在某些约束条件下维持稳定平衡状态时其能耗率应为最小值。本文根据最小能耗率原理,以能耗率极小为目标函数,以渠道不冲不淤流速作为约束条件,利用优化计算方法对不冲不淤稳定渠道进行优化设计,并用泾惠渠、洛惠渠和渭惠渠三个灌区部分实测稳定渠道资料对计算结果进行了验证。验证结果表明,优化计算值与实测值符合较好。     

流体最小熵产生原理与最小能耗率原理(Ⅱ)

本文是“流体最小熵产生原理与最小能耗率原理”的第Ⅱ篇。在这篇中，一是阐明了最小熵产生原理等价于最小能耗率原理；二是基于最小熵产生原理，利用流体力学的3个基本方程，即连续方程、运动方程和能量方程以及热力学的吉布斯公式，推导出了流体最小能耗率原理数学表达式。该式适用于：(1)具有稳定边界的任何开放的流体系统，如河流；(2)恒定非均匀流或均匀流；(3)层流或紊流。     

流体最小熵产生原理与最小能耗率原理(Ⅰ)

最小能耗率的研究已有100多年的历史了，至今最有代表性和影响力的研究成果要数美籍华裔学者杨志达(Yang C. T.)等人提出的最小能耗率原理。作者通过分析研究，指出杨志达提出的最小能耗率原理存在着某些缺陷，并基于非平衡态热力学的最小熵产生原理重新推导了流体最小能耗率原理的数学表达式。论文分Ⅰ、Ⅱ两篇，这是第Ⅰ篇。本篇一是对最小能耗率原理的研究进行了简要回顾，着重指出杨志达的最小能耗率原理存在的缺陷；二是介绍了最小熵产生原理，目的是为推导流体最小能耗率原理的数学表达式提供理论基础。     

最小能耗率原理的数值水槽模拟验证

最小能耗率原理发展至今,已有严密的理论证明,但缺少实测数据和数值模拟的验证.本文采用Flow3D中RNG k-ε紊流模型结合GMO法对顺直矩形水槽内的水流运动进行了数值模拟研究,通过选取不同断面之间的水流为研究系统,计算了各个时刻系统的单位体积水流能耗率变化.结果表明,矩形水槽内的水流运动确实遵循最小能耗率原理.     

流体最小能耗率原理的热力学基础

针对学术界一直存在争议的流体在运动过程中到底是遵循最大熵原理还是遵循最小能耗率原理或最小熵产生原理问题,以热力学理论为基础,分析最小熵产生原理和最小能耗率原理,同时澄清一些容易混淆的问题,指出:热力学中的基本原理、基本概念同样适用于流体运动;流体在运动过程中遵循最小能耗率原理或最小熵产生原理。     

河流最小可用能耗率原理和统计熵理论研究

河流是一个具有能量紊动粘性热耗散结构的开放系统 ,依照热力学熵差和统计熵定义了河流水力熵差和统计熵 ,根据耗散结构动平衡稳定的熵和能耗理论 ,建立明渠流和冲积河流的水力熵和统计熵理论 ,提出了明渠流和冲积河流稳定的最小可用能耗率原理和公式 ,该原理全面地反映了河道输水输沙的能耗特性 ,不仅在数学上完整地表达了冲积河流河床演变的基本原理———自动调整作用原理 ,而且还反映了床沙质和冲泻质的划分标准、高含沙水流和挟沙力等特性 ,并用该理论解释了冲积河流水沙运动和河床演变的各种现象。     

流体平面运动与最小能耗率原理

最小能耗率原理在流体运动中是否是一个普适原理，一直存在着不同的观点。本文以恒定不可压缩流体平面运动为研究对象，利用流体力学的运动方程、连续方程和能耗率方程，通过引入流函数，得到了最小能耗率原理成立的充分和必要条件，并由该条件得出最小能耗率原理在流体运动中并不是一个普适原理。     

分形理论在河型研究中的应用探讨

简述了当前河型研究现状、分形理论的特点方法及其目前在天然河道的应用现状,并结合分形理论对基于最小能耗率的河流演变理论进行探讨,研究了一定水沙条件下,河流能耗的分形理论表示公式,扩展了河道几何边界条件对于能量损耗的表述方法,推导了河型判别的分维数公式,并提出了目前的不足与进一步研究的方向。     

基于最小可用能耗率原理的河流水沙数学模型

本文把河流视为具有能量紊动黏性热耗散结构的开放系统，根据耗散结构的熵和能耗理论，提出了保持冲积河流稳定的最小可用能耗率原理和公式。该原理全面地反映了河道输水输沙的能耗特性，在数学上完整地表达了冲积河流河床演变的基本原理——自动调整作用原理。应用该原理的公式封闭河床演变方程组，建立了冲积河流河道输水输沙优化的数学模型，根据该模型的计算结果分析了黄河下游河道输水输沙的规律，并解释了河床演变的各种现象。应用该模型计算了黄河下游各河段输水输沙优化的临界指标，并提出了有利于改善小浪底水库调水调沙运用的建议，为小浪底水库调水调沙提供参考。     

基于最小能耗原理的稳定渠道断面形状

基于最小能耗原理,本文提出了一种稳定渠道断面设计的新方法。在构造稳定渠道断面形状求解的泛函极值问题的基础上,利用变分法推导出的稳定渠道断面为形式简单的圆弧形曲线。该圆弧形曲线形状实际上是将水力学中的水力最佳断面推广到考虑边坡稳定的情况。结合渠道阻力关系及临界起动切应力,可得到稳定渠道水力几何形态设计的方法。与其它形式的稳定断面形状比较显示,本文方法与Diplas和Vigilar的断面模型较为接近。同时验证结果表明,本文方法与实测资料相吻合。     

跌坎型底流消能工跌坎深度在工程优化设计中的应用

以某工程导流泄洪隧洞底流消能工为试验研究对象,原方案试验中,在闸门半开工况下,下泄水流出现脱离泄槽底板现象,不利于下泄水流的消能,经研究,改变压坡段底板坡度,同时将泄槽的两个坡段改成一个坡段;原方案底流消能工消力池内均发生远驱式水跃,消能效果差,通过研究采用以最大临底流速为控制目标的最小跌坎深度计算公式,确定消力池底板高程。经两次优化试验后,消除了闸后水流脱离泄槽底板的现象,下泄水流流态稳定,消力池内形成稳定的淹没水跃消能,出池水流与下游水流衔接较好,消力池内临底流速和时均动水压强均明显降低,消能效果好。     

基于最小熵产生与耗散结构和混沌理论的河床演变分析

阐述了最小熵产生、耗散结构和混沌理论的基本原理和研究方法,并介绍了如何应用这些理论和方法对河床演变过程进行分析。认为：河流只可能处于近平衡态和远离平衡态。河流处于近平衡态时,遵循最小熵产生原理或最小能耗率原理,其演变过程表现为逐渐趋向于与外界条件相适应的相对平衡状态,在相对平衡状态水流的熵产生或能耗率为最小值。当作用在河流上的约束条件发生变化后,河流就会离开原来的相对平衡状态,寻求与新的约束条件相适应的相对平衡状态。在这个调整过程中,熵产生或能耗率并不是单调减少,而是有增有减,直到新的相对平衡状态,水流的熵产生或能耗率一定是与新的约束条件相适应的最小值。河流处于远离平衡态时,其演变过程可以经受突变,导致河型转化发生。河型转化是在外界条件缓慢变化过程中,超过某一临界值而发生的突变,这种突变相当于热力学中的非平衡相变,因而可以用耗散结构和混沌理论解释河型转化。