高坝洲水利枢纽下游航道通航水流条件试验研究

高坝洲水利枢纽深孔和电厂联合泄流时，通航建筑物原布置方案下游航道口门区的回流范围，回流流速、纵向及横向流均较大，不能满足通航要求。试验研究结果表明，改变导航堤堤头的布置形式，减小水流流入航道的角度，可有效地改善流态，减小回流范围和回流流速值；采用增大过水面积（降低河床高程）和减小口门区过流量（升槽分流）等措施可减小纵、横向流速值，其中以“开槽分流”方案较好，能使口门区的纵、横向流速值达到通航标准。     

黄河下游堤距对河道沉积速率的影响

以黄河下游堤距和1934～1985年间河道淤积速率的实测资料为基础，研究了堤距与沉积速率的关系。沿流程向下，黄河下游堤距在总体上表现出先增大，然后再迅速减小的趋势。水位变幅与堤距之间有较强的负相关，堤距越小，水位变幅越大。水位变幅较大，反映洪水中水深的增加幅度较大，在其他条件相同时，流速会因此而增大，使得水流挟沙能力也增强。沉积速率随堤距的变化是非线性的。当堤距由15km缩窄到10km时，堤距的缩小对沉积速率不发生影响；当堤距由10km减到6km时，河槽中的水流动力并不会因堤距束窄而显著加强，由于堤距束窄使泥沙的堆积空间减小，故沉积速率反而增大，并达到峰值；当堤距从6km继续减小时，大堤对水流的约束作用使水动力得到显著强化，挟沙能力加强，这一作用抵消了堤距减小使堆积空间减小的影响而有余，因而沉积速率减小。     

浮体结构沉浮过程周围水流特性研究

浮体结构作为一种环境友好型装置已广泛应用于平原防洪水利工程，但在浮体沉浮过程中，周围水流变化会影响浮体结构的安全运行。采用物理模型试验，对浮体结构长度以及吃水深度不同时浮体周围的水力特性及回流区进行了测量分析。结果表明：由于浮体的阻挡，靠近浮体背水面位置的水流流速减小；吃水深度增大导致过水断面减小，最大流速增大且位置下移，回流区范围增加；浮体结构长度变化对流速分布影响较小，但随着长度增加，回流区长度减小；浮体长度的增加以及吃水深度的减小会提高浮体结构的稳定性。     

外洪含沙量对干渠泥沙淤积影响研究

外来洪水汇入干渠产生的泥沙淤积会减弱渠道过流能力,导致水体溢顶漫堤,严重影响堤岸边坡的稳定性。通过物理模型试验研究外洪含沙量对干渠内断面流速横向分布、流速垂向分布、泥沙淤积过程及淤积形态的影响规律。结果表明：干渠中间位置受外洪和渠道边壁阻力的影响较小,其流速较大,洪口附近和渠道边壁处流速较小;在一定水深范围内流速随水深减小而增大,靠近水面时流速减小;外洪含沙量越大,泥沙淤积厚度越大,泥沙淤积起始位置和最大泥沙淤积厚度出现位置越靠近干渠上游。     

海上不同结构形式桩基对水流的影响

为了研究不同结构形式桩基对水流的影响规律,建立三维数值模型,采用直接模拟法将桩基作为不透水边界处理,利用三角形加密网格精确模拟桩基形状,计算分析不同结构形式桩基影响下水位和流速的变化。结果表明:桩基引起的水流变化主要表现为桩基上游水位壅高,下游水位跌落,在桩基两侧流速较大,上、下游流速较小;不同结构形式桩基的流速变化分布略有不同,三桩导管架基础对流速影响最大,其次为单桩基础,高桩承台基础影响最小;流速垂向变化由表至底呈增大趋势,水深越大,流速越大。     

连续弯曲河道点源污染物输运特性三维数值模拟

为研究连续弯道水流中污染物的输运过程，参考连续弯道水流标量示踪试验，构建了水动力-污染物耦合三维大涡模拟数值模型，分析了点源污染物不同横向和垂向释放位置对下游河道污染物浓度分布特性的影响。结果表明：连续弯道内的纵向流速、涡量与紊动能大小存在关联且二次环流对污染物的输运及混合起主导作用；点源在连续弯道进口的横向和垂向布设位置将显著影响污染物的混合速率和空间分布范围；当点源在横向上布置于弯道进口中心和中心偏凸岸处，或在垂向上布置于弯道进口底床或水深中间处，下游污染物的混合速率最大，且影响范围更广；近场的污染物混合速率和影响范围呈正相关关系；连续弯曲河道中，点源位置的差异对污染物混合的影响主要体现在单个周期的弯道内。     

含沙量对冲积河流河型的影响

黄河下游泥沙输送的机理随含沙量的变化很大。黄河下游的河道一般呈游荡型或弯曲型，显著特点是在低含沙量和高含沙量条件下都存在着强烈的河道侵蚀及游荡型河道形态，而淤积和游荡则多发生于中等含沙量条件下。一维数值模型揭示了某些河床形态可能与泥沙密度的垂向层状分布及其阻碍沉降效果有密切关系。泥沙含量不大的情况下水流是次饱和的，流速呈对数曲线分布，泥沙容重呈层状分布，次饱和水流造成河床冲刷和弯曲型河道；高含沙水流情况下，水流的紊动结构造成的含沙量纵剖面变化，形成超饱和水流；在更高含沙量（10—100kg／m^3）情况下，悬移质泥沙可造成垂向几乎为常数的宙沙量纵剖面及对数流速分布。这些可以由泥沙引起容重效应的IDV模型进行验证，而河道形态变化可由3D模型模拟。河流形态模拟揭示了在相对低含沙水流中形成游荡型河道，主要是由于河道淤积、壅水、分汊形成新流路造成。当存在高含沙水流时，河床受到冲刷，水位降低，大堤约束河道，从而减小了游荡强度。另外，落淤速度的降低造成河道淤积减弱，形成冲刷，结果高含沙水流却形成了弯曲型河道。     

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。     

不同绕流结构体对河道水流的影响

分别采用一维方形丁坝、二维梯形丁坝和三维堆积体概化模型,在同一水流条件下进行水槽试验,研究不同维度绕流结构体对河道水面线和三维时均流速的影响。试验结果表明:(1)在进占宽度比完全相同的情况下,梯形丁坝由于存在第一回流区,导致实际阻流面积最大,对上游阻流最强烈,方形丁坝次之,堆积体最小;(2)当阻流面积比(阻流流量比)相同时,方形丁坝在断面束窄河段的纵向流速加速能力比梯形丁坝强,水流横向偏转的幅度也更大,但梯形丁坝垂向流速比方形丁坝更大一些;(3)当沿水流方向长度相同时,堆积体由于最大截面面积较小,纵向、横向和垂向流速均小于丁坝。由此可见,常用于区分绕流结构体阻流特性的指标,如进占宽度比、阻流面积比和阻流流量比等,并不能全面表达结构体对流场的影响。     

黄河下游单向缩窄典型河道泥沙冲淤特性研究

本文选择黄河下游裴峪至官庄峪典型束窄河段为研究对象，以丁坝缩窄河道方式，通过控制水流强度、缩窄水流位置、相对缩窄尺度和边界条件等四个主要因素，进行不同缩窄尺度的动床模型试验。试验结果表明：水沙运动要素变化受相对缩窄尺度、缩窄位置和边界条件影响较大；随着相对缩窄尺度的增大，在洪水位条件下主河槽冲刷量和滩地淤积量逐渐增大，主槽范围相应扩大，其高程普遍呈下降趋势，特别是缩窄断面导流堤顶端部位出现明显的局部冲刷坑，束水冲沙、增大输沙能力的效果明显；当相对缩窄尺度B1/B大于0.50时，主流线位移、断面流速和河床冲淤的相对变化速率明显增大，这些研究成果的取得将对治黄工程具有一定的指导意义。     

矩形水槽中梯形边墩周围流速分布的试验研究

该文利用声学多普勒流速仪ADV,对矩形水槽中梯形边墩周围三维流速进行测量,并对时均流速三个方向分量进行了研究.通过对柱体周围不同垂直面和水平面流速的分析,得出水流由于受到边墩的影响,在柱体上游,行近水流与壁面产生分离,并有涡旋产生.在柱体下游,纵向水流逆向运动,产生回流,横向流速和垂向流速非常小,可以忽略.     

正挑丁坝区鱼类栖息地水力生境指标分布特征数值模拟

丁坝区鱼类栖息地研究对河流生态保护具有重要意义,基于三维水流数学模型,探讨了正挑丁坝区鱼类栖息地水力生境指标的分布特征,结果表明：（1）水流流速随弗劳德数Fr的增大而增大,坝后回流区宽度逐渐减小,主流区沿程从急变流变为渐变流,并逐渐恢复为均匀流;（2）主流区和回流区流速梯度G较小,G>2的区域主要集中在水槽左右两岸和丁坝坝头附近,横断面上G随弗劳德数Fr的增大而减小;（3）丁坝上游至下游剖面动能梯度M的分布特征与G相似,M高值区出现在水槽右岸及坝头附近相对槽宽B⁺=0.25～0.40区段,但水槽左岸的M值较小且沿程变化不大;（4）丁坝上游流速适宜度S_u随Fr的增大而减小,丁坝和丁坝下游断面S_u随Fr的增大而增大;丁坝下游回流区的S_u较小,一般不超过0.3,而主流区的S_u可能超过0.8,表明该区域鱼类产卵栖息条件较好。研究结果可为丁坝区鱼类资源保护和生态航道工程建设提供参考。     

矩形槽中矩形边墩周围流速分布试验研究

利用声学多普勒流速仪,对矩形断面明渠中矩形边墩周围三维流速进行测量,并对时均流速3个方向分量进行了研究.通过对边墩周围不同垂直及水平面流速的分析表明:受柱体的影响,柱体上游行进水流与壁面产生分离,并有涡旋产生;柱体下游纵向水流逆向运动,产生回流,横向流速和垂向流速非常小,可以忽略不计.     

黄河浮桥对河道水流影响的试验研究

通过实体模型试验,研究了浮桥在不同水流条件下对壅水高度、壅水范围、局部流速及水流挟沙力的影响,结果表明:①当浮桥与水流呈一定角度时,桥上游的水位在桥前相同距离断面上沿着桥轴方向从上游端向下游端逐渐提高;②浮桥处于工作状态时,浮舟与水流方向的夹角不宜大于10°;③运用能量型桥渡壅水公式计算的浮桥壅水高度较实际情况偏小,结果偏于不安全;④当浮桥转角开始增大时,桥前流速逐渐减小,并且单宽流量越小、天然流速越小,由浮桥转角造成的桥前流速衰减率越大;⑤水流挟沙力的减小规律与流速衰减规律类似,较小单宽流量下的水流挟沙能力减幅较大。     

弯曲分叉型河段水流流动特性分析

某弯曲分叉型河段疏浚后,为了解该段河道水流流动状况,采取CFD数值模拟方法进行数值预报。结果表明,该河段主叉道流流态相对较差,出现回流区与低速区;当来流增大时,在一定范围内,不影响该段河道水流流态基本趋势;河道疏浚后来流水流平缓,在一定流速范围内,其横向流速不会出现明显的变化;随着来流流速的增大,主、支叉道过流流量不断增大,分流比不断减小,主、支叉道的界限越来越不明显。     

宽窄复式河道水流运动特性的试验研究

在分析水槽试验资料的基础上，首次对宽窄复式河道的滩槽过流能力、断面平均流速、垂线流速及横向分布等水流运动特性进行了研究．研究结果表明，宽窄复式河道的主槽流量随着滩槽宽度比的增大而减小，滩地流量随着滩槽宽度比的增大而增大；水流发生漫滩之后，随着水深的增加，主槽流速先减小后增加，滩地流速不断增加，二者的变化幅度与滩槽宽度比有关；在大部分区域内垂线流速偏离对数分布，主槽一般偏小，滩地偏大；垂线平均流速沿横向分布与一般复式河道相似，但滩槽流速差别减小．     

径宽比对90°弯道明渠水流结构的影响

径宽比作为弯道明渠的几何参数之一,对水流结构有重要影响。该文采用三维数值模拟的方法在90°弯道明渠中研究了小宽深比条件下,四种径宽比工况的水流特性。研究结果表明:弯道水面形态、流动结构、湍动能以及环流强度与弯道径宽比之间存在较强的相关性。径宽比越小凹岸侧与凸岸侧流速差越大,流速在断面上的分布越不均匀,主流的集中程度越高,横向流速及环流强度越大。当径宽比大于1.5时,传统超高理论公式尚可适用,水面的变化较为平顺,水流出弯后其湍动能在下游直道内逐渐减小;径宽比小于1.5时,传统超高理论公式并不适用,水流在凸岸形成分离,形成较大的凹陷坑,湍动能在弯道下游直道区域很大范围内持续增大。     

导流洞出口布置形式及消能方式试验研究

以淋溪河施工导流模型为依托,重点研究导流洞出口布置形式及出口消能形式对下游冲刷、下游沿岸流速流态及涌浪的影响。由于淋溪河导流洞出口布置位置的特殊性,试验尝试了不同的布置方式及多种出口消能形式。试验结果表明:导流洞出口加设侧导墙可有效地阻止主流对导流洞出口水流的压迫,防止水流集中,有利于水流的扩散;加设消力墩可使水流横向、纵向、垂向得到充分的扩散,达到消能的目的,有效地减小水流对下游河道的冲刷,降低下游河道的流速及水位壅高高度。     

堤沟河治理对黄河堤防影响试验研究

黄河下游的大堤临河侧堤跟低洼,形成堤沟河,主要是河道横向淤积不平衡或历史上堤防施工取土造成的,洪水漫滩后,水流沿串沟演进,到堤跟汇合沿堤沟河向下游演进,形成顺堤行洪,严重威胁堤防安全,且小浪底水库运用以来,黄河下游没有来大洪水,水基本在河道中行走,滩唇高昂,使得黄河下游二级悬河更加明显。为此,对堤沟河严重河段开展不同堤沟河治理方案的模型试验,结果显示:堤沟河治理工程能使顺堤行洪主流速带远离堤防,减轻对堤防压力,能有效减小大堤顺堤行洪流速,减小滩地横比降,缓解"二级悬河"不利态势,但顺堤行洪流速和滩地横比降的减小与堤沟河治理工程高程密切相关,直接影响工程造价,在进行堤沟河治理工程高程设计时要综合考虑工程效果和工程造价问题。     

等宽明渠交汇口流速分布特性数值模拟

明渠水流的交汇现象在涉水工程中十分常见,其中交汇口流速的分布特性复杂,对渠道的设计与维护有着直接的影响。针对明渠交汇流的流速分布特性,基于雷诺方程模型（RSM）与体积函数法（VOF）建立等宽明渠交汇流三维数值模型,结合物理试验数据进行模型验证,对不同交汇角与流量比组合工况进行模拟研究,对交汇口水流流速的分布特性进行分析。计算结果表明,交汇口流速存在分区特征,交汇口内流线弯曲流速偏转,下游会出现回流结构与断面环流现象。当交汇角增大时,水流的偏转幅度更大,回流结构与环流现象增强,分区特征更明显,渠道边壁受到的水体冲击更大;当流量比增大时,主渠水体受到的挤压效应减弱,流速分区特征受到抑制,水流交汇更平顺,边壁受到的冲刷更少。