黄河下游平面二维非恒定输沙数学模型:I-模型方程与数值方法

黄河下游冲淤变形剧烈,其平面二维泥沙数学模型的研究与开发是一个极其复杂的难题,在学术与工程实践上都具有重要意义。本文构建起具有通用性的黄河下游平面二维非恒定输沙数学模型。在该模型中:采用修正的河床变形方程;克服了以往数学模型计算中取饱和恢复系数小于1的缺陷;引入了符合黄河下游河道水沙特点的水流挟沙力和河床糙率计算等公式。在数值方法上:采用边界拟合坐标,对水流连续性方程与动量方程采用交错网格上的ADI方法进行离散求解,对泥沙连续性方程则采用控制容积法进行离散。     

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.     

黄河水库－维泥沙数学模型的初步研究

根据黄河中下游的水沙特点和水库泥沙的冲淤规律，建立了黄河水库－维泥沙冲淤数学模型。模型在动床阻力、水流挟沙力、冲淤量的横向分配以及水流、泥沙控制方程的离散、求解等方面进行了探讨，用三门峡水库漳关以下库区１９７４～１９８８年的实测水沙系列对模型进行了验证计算，结果表明，模型在冲淤总量、冲淤过程以及纵向冲淤分布等方面计算值与实测值均符合良好。应用模型计算三门峡水库在四种不同运用方案下库区的冲淤情况，计算结果基本合理。     

黄河下游河道准二维泥沙数学模型研究

本文首先简要回顾了以往黄河河道泥沙数学模型研究成果,再以水流运动方程及经过作者修正的泥沙运动方程为基础,同时引入与实测资料相符合的水流挟沙力、动床阻力、泥沙级配等计算公式作为补充方程,构造出黄河下游河道准二维泥沙数学模型。然后,采用1986年11月-1996年10月这10年长系列实测资料,开展了验证计算。其结果表明,该模型不仅能计算黄河下游河道一般洪水引起的河床冲淤变形,还能成功地模拟出大沙年下游处于强烈淤积时的规律。     

基于GIS的黄河下游二维水沙数学模型测试与率定

为检验黄河下游基于GIS的二维水沙数学模型的水流、泥沙构件对各种流态、任意几何形状及水下河道地形等复杂情况的适应性，利用缓流、急流、缓急流相互转化、复式渠道及点源加沙等典型案例对模型构件进行了测试，并采用2004年黄河调水调沙试验资料对模型进行了初步率定。测试与率定结果表明：黄河下游基于GIS的二维水沙数学模型的水流、泥沙构件设计合理，数值方法正确，在各种流态、复杂地形等条件下具有通用性和较高的精度。虽模型的水流、泥沙构件能基本反映水流泥沙运动规律，但尚需通过更多的实测资料进行率定验证，以进一步提高模型的精度。     

黄河下游河床平面变形模拟研究

黄河下游河道以游荡多变著称，河床演变具有典型的平面二维特征，本文分析了黄河下游河床横向变形的基本模式，认为河床的横向变形是由泥沙的侧向冲刷和河岸淘蚀综合作用的结果，数学模型中可通过这两种现象的分别模拟反映实际河岸的横向变化．引进土力学中有关河岸力学平衡的基本关系，结合河床演变计算的特点在数值方法上适当简化，提出了黄河下游河床横向变形的数值模拟方法，采用反映高含沙水流流动特性的基本方程组，用１９７７年典型高含沙水流洪水过程检验了模型计算多种含沙水流过程的适应性和模拟河床横向变形的可靠性     

黄河河口海岸二维非恒定水流泥沙数学模型

针对黄河河口海岸岸线变化剧烈和含沙量变幅大的特点，开发和建立了适合黄河河口海岸应用的平面二维动边界非恒定水流泥沙数学模型。验证表明，本模型可以较好地模拟黄河河口海岸泥沙输移和冲淤变化，为研究和解决多沙河口海岸的泥沙问题提供技术手段。     

黄河水库一维泥沙数学模型的初步研究

根据黄河中下游的水沙特点和水库泥沙的冲淤规律，建立了黄河水库一维泥沙冲淤数学模型。模型在动床阻力，水流挟沙力，冲淤量的横向分配以及水流，泥沙控制方程的离散，求解等方面进行了探讨，用三门峡水库潼关以下库区１９７４－１９８８年的实测水沙系列对模型进行了验证计算，结果表明，模型在冲淤总量，冲淤过程以及纵向冲淤分布等方面计算值与实测值均符合良好，应用模型计算三门峡水库在四种不同运用方案下库区的冲淤情况，计     

长江口二维非均匀悬沙数值模拟

针对长江口水流泥沙运动的特点建立了非均匀悬沙的平面二维数值模型。在模型中考虑了波浪对流场的影响和对水流挟沙力的影响 ,在确定悬沙絮凝沉速时考虑了泥沙粒径、盐度、含沙量及水流紊动的影响。悬沙模型建立在曲线坐标下 ,悬沙输运方程采用破开算子的方法求解 ,平流项采用UltimateQuickest格式求解 ,提高了计算的精度。通过实测资料对数学模型计算的悬沙含量进行检验 ,表明它较好地反应了长江口地区泥沙的运动规律     

连续急流弯道水流泥沙的数值模拟

建立了具有连续急流弯道河流平面水流、泥沙数学模型 ,并采用有限差分法对方程进行离散求解。运用该模型对山西省阳泉市桃河治理河段的水流泥沙情况进行计算 ,得到的数值模拟结果与模型试验结果基本相符 ,表明该模型在工程上具有一定的实用价值     

大柳树一沙坡头河段泥沙运移二维数值模拟

黄河大柳树一沙坡头河段位于宁夏境内,是由5个弯道组成的连续弯道,具有较为复杂的地形特征.利用所建立的修正的平面二维RNG k-ε紊流泥沙数学模型,对该河段水流运动及泥沙运移进行了平面二维数值模拟研究.采用全沙模型,考虑不同粒径组悬移质和推移质运移对河床演变的影响.通过数值模拟结果与实测结果的对比分析,表明该模型能够模拟具有连续弯道的天然河流水流运动及泥沙运移过程;建立了一种关于泥沙数学模型中水流模块和泥沙模块的半耦合式算法,其计算量比耦合式算法较小,但计算精度比分离式算法较高.     

水流挟沙力的统计理论计算方法及其应用

将水流挟沙力作为二维问题处理是水流挟沙力研究的重要方向,采用非均匀沙水流挟沙力的统计理论方法,根据泥沙状态概率和有效床沙级配,推导了悬移质挟沙力、推移质输沙率和推悬比统计理论公式,利用黄河下游水沙资料对公式进行验证,并与半经验悬移质挟沙力和推移质输沙率公式进行计算对比验算。计算结果表明,采用统计理论公式计算中、低含沙水流非均匀沙悬移质挟沙力较为准确,统计理论方法计算的推悬比较为稳定,黄河下游底悬比在0.06~0.11之间变化,可以采用统计理论方法的推悬比公式计算黄河下游的漏测底沙量。     

漳河下游河道水沙运动数值模拟

本文以漳河京广铁路桥以下河段为例,采用一维与二维水沙运动数学模型,对同时具有冲刷基点及丁坝群的河段的水沙运动特性进行了数值模拟.在数学模型中,采用宽顶堰公式模拟基点对水流运动的作用,在数值计算中,采用曲线网格处理丁坝群附近的复杂边界条件,用有限体积法将直角坐标系上的控制方程直接在曲线网格上进行离散求解.利用实测资料进行了验证计算,计算所得的水位、河床冲淤变形与实测成果吻合较好.     

黄河下游平面二维非恒定输沙数学模型:II-模型验证

采用黄河下游1982年洪水资料，选取花园口至夹河滩河段为计算区域，对所建模型进行了验证计算，结果表明本模型计算的洪峰传播过程，水位变化过程及含沙量变化过程等均与实测结果接近，流速场、主流线等也较符合实际。从而证明了所建立起的平面二维非恒定输沙数学模型与相应的数值计算方法能够模拟黄河下游河道水沙演进过程及河床冲淤变形规律。     

感潮河段水沙数学模型研究与应用

感潮河段的水流和泥沙运动均具有很强的非恒定性,采用有限体积法建立了一套感潮河段平面二维水流泥沙数学模型。模型采用同位网格的SIMPLEC法对水流方程进行离散和求解,较全面地考虑了非均匀悬移质及推移质运动,具有较好的普遍适用性。以长江下游口岸直河段和仪征河段为例,分别对模型作了定床和动床计算,计算结果与实测值符合较好,从而证明了模型的可靠性。     

全沙数学模型在港口环境评价中的应用

本文提出了用两相流连续方程、运动方程描述底沙推移质运动模型的方法，建立了封闭求解的二维全沙数学模型方程组，对悬沙与底沙的交换问题进行了讨论。引入了平衡挟沙和非平衡挟沙交替计算的新方法。将此模型初步应用于港口建设的工程环境评价中，得到水流泥沙实测资料的验证，说明全沙数学模型方法是正确的。     

长江汉口河段平面二维水沙数学模型初步研究

在长江汉口河段二维泥沙数学模型的建立与求解过程中，采用了曲线四边形9点等参单元法，任意剖分计算区域，并构造出形函数将水流连续方程、运动方程、泥沙扩散方程和河床变形方程离散，根据来水来沙过程并利用边界条件，模拟了较长时问的河床变形。     

黄河下游河岸横向变形数值模拟研究

通过在水流运动方程中增加弥散应力源项,考虑弯道二次流的影响,引入横向环流输沙对河床冲淤变化的影响,对悬移质不平衡输沙方程、推移质输沙方程及河床变形方程进行了修正.根据黄河的特点建立了模拟河岸侵蚀、崩塌的计算方法,应用所扩展的平面二维数学模型对黄河下游河道的横向变形及河势演变进行了数值模拟,结果表明该计算模型能较好地模拟河道横向变形.     

二维水沙模型在深圳港铜鼓航道选线研究中的应用

采用边界拟合坐标系下的水流基本方程和泥沙连续方程及河床变形方程,建立二维动边界非恒定水流泥沙数学模型。根据研究水域的泥沙特点及冲淤特性,分别处理冲淤系数,提出了实用的挟沙能力公式,并辅之于动边界技术,增强了模型的适应性和灵活性。以深圳港铜鼓航道选线研究为例,对模型进行了验证及航道开挖回淤计算。结果表明,模型能较好地模拟河口水流泥沙运动及河床变形情况,且计算稳定性好,速度快,精度较高。水流、泥沙运动、冲淤验证成果基本能达到规范要求的精度。     

水沙河口衔接数学模型的研究及其应用

在河口水流、泥沙数值计算时提出一、二维衔接的数学模型.根据一、二维水流连续方程、运动方程、悬沙扩散方程、两相流底沙运动方程、床面演变方程,对一维河道采用河网三级联解法、迎风差分格式,对二维海区采用有限元加权集中质量法、三角差分格式,建立水沙河口衔接数学模型.将此模型应用于天津泰达永定新河河口工程的研究上,经实测水沙资料验证,计算值与实测值基本吻合.为河口改造时引起的河道与海区的水流及泥沙稳定性问题提供了可行的研究方法.