土壤非均匀水流运动与溶质运移的两区-两阶段模型

根据优先流发展过程中所表现出来的阶段性特征和分形特征,建立了描述非均匀土壤水流运动和溶质运移过程的两区-两阶段模型。模型认为,研究区域可划分为水流经过的活动流场(即优先流流场)和水流绕过的不活动流场两个区域;优先流流场在发展过程中将先后经历流场扩张和保持两个阶段;处于扩张阶段的优先流流场,其内部土壤水流运动的快速非平衡特征明显,并表现出明显的分形特征;处于保持阶段的优先流流场,其内部的土壤水流运动类似于基质流运动,无明显的分形特征。通过在砂土、壤土和黏土条件下开展的6个示踪试验,检验和评价两区-两阶段模型、活动流场模型和两区模型模拟预测非均匀土壤水流运动和溶质运移的有效性。研究结果表明,两区-两阶段模型可较好地描述各种土质条件下的优先流运动;活动流场模型对壤土和黏土条件下的优先流运动预测精度较好,而对砂土条件下的优先流预测精度较差;两区模型对各种土质条件下的优先流运动预测精度均较差。     

两区模型和变密度模型溶质运移试验对比分析

为验证两区模型和变密度模型描述海水入侵过程中溶质运移现象的可行性,先后采用内径为9和11 cm的土柱进行室内稳定流土柱试验,讨论两区模型相比普通CDE模型的优点,以及采用直径10 cm,高300 cm土柱进行溶质运移试验,并应用非均质两区模型和过渡带变密度模型对验证结果作分析比较.采用决定系数和均方误差作为模型验证评价指标,结果表明:两区模型较普通CDE模型能更准确地模拟D9和D11土柱中溶质运移的整个过程.在模型对比土柱试验中两区模型和变密度模型都能很准确地描述溶质运移,说明两区模型在海水入侵模拟试验中存在应用的可能性.在数值模拟过程中同时发现流速基本不变的情形下,随着尺度的增加,溶质运移过程中的弥散系数也增大,且产生尺度效应,故需进一步作室外参数修正.     

考虑弥散尺度效应的一维反应性溶质运移两区模型及应用

为考虑溶质运移的弥散尺度效应,将弥散度概化为运移距离的线性和指数函数,并考虑溶质的吸附和降解,建立了非均质介质中溶质运移的一维两区模型(TRM),采用Laplace变换和de Hoog数值逆变换方法求得了模型的半解析解,分析了考虑弥散尺度效应与弥散度为常数的TRM之间的对应关系,利用算术平均方法计算了考虑弥散尺度效应的...     

稳定流条件下土壤溶质运移两区模型的准解析解及数值模拟

将弥散度概化为运移距离的指数函数，给出了稳定流条件下，非均质土壤中考虑水动力弥散尺度效应及不动水体存在时，一维溶质运移的两区模型。在初始浓度为零，半无限一维空间内定通量边界条件下，推导出了可动区和不动区溶质相对浓度的准解析表达式。用特征有限元法建立了相应的数值模型，从数值解和准解析解的计算数据可以看出：数值计算所产生的误差很小，能满足实际工作对计算精度的要求。     

稳态条件下土壤溶质运移的两区模型及其解析解

给出了稳态水流条件下，非均质土壤中考虑水动力弥散尺度效应以及不动水体存在时，一维溶质运移的两区模型。并在初始浓度为零，半无限一维空间内第一类边界条件下，推导出了可动区和不动区溶质相对浓度的解析表达式。给出了利用Matlab软件包计算相对浓度的计算方法，并对一假设试验情形进行了计算，从计算结果可以看出：该模型的模拟结果符合土壤中溶质运移的规律。最后，用特征有限元法对模型进行了数值计算，从而验证了所得解析解的正确性。     

考虑弥散尺度效应与不动水体的反应性溶质运移动力学模型及半解析解

将弥散度概化为运移距离的渐进函数,并考虑土壤孔隙中存在的不动水体以及溶质的吸附和降解,建立了考虑弥散尺度效应的溶质运移两区模型(TRMS,Two-Region Model with Scale-dependent Dispersion),通过Laplace变换和de Hoog数值反演方法求得了模型的半解析解,并运用混合拉普拉斯变换有限差分法验证了半解析解的准确性。通过TRMS与弥散度为常数的两区模型(TRMC,Two-Region Model with Constant Dispersion)之间的比较,分析了弥散尺度效应对溶质运移过程的影响,并利用算术平均方法计算了TRMS的等效弥散度,最后应用TRMS和TRMC模拟了长度为1250cm的一维非均质土柱中的溶质运移过程。结果表明:TRMS的等效弥散度反映了弥散尺度效应的影响,可以近似作为区域弥散度的平均值,采用等效弥散度时,TRMC描述的穿透曲线与TRMS的模拟结果基本一致;TRMC的模拟结果与非均质长土柱的浓度实测值存在较大偏差,而TRMS的模拟精度有了较大程度的提高,能够更好地模拟非均质长土柱中溶质的不规则运移过程,说明本文建立的TRMS能够较好地模拟非均质介质中溶质在较大尺度上的运移过程。     

二维非恒定空化流的数学模型

本文提出了一个新的数学模型,用于预测高Reynolds数的二维紊流场中非恒定空化流的形成与发展过程及其内部结构。将空化流看成是泡-液两相流动,采用宏观与微观两个尺度来描述其流动形态与内部结构。宏观尺度主要用于空化区及其外部紊流场的计算,微观尺度用于确定气核在紊流场中的运动及生长过程,宏观与微观两种分析相互结合,前者应用两相流模型及现有紊流场分析技巧,后者采用泡动力学理论,应用这一模型,可对二维紊流场中空化流的演变过程及其非恒定特性给出比较清楚的数值描述。     

预测水机材料空蚀速率的计算模型研究

采用半数学分析与半图解的方法,导出一个在稳态流条件下预测水机材料质量损失速率的计算公式,它是空化流体条件(如强度大于材料破断强度的压力脉冲速率 NR和脉冲应力 σ,受冲击的平均面积 S等)和材料性能(如屈服应力σy,破断强度σR,硬化层深度L,应力应变关系指数n等)的函数。因气泡破裂产生了作用于材料上的压力脉冲,因此,空化流体对材料的侵蚀特性可用包含应力脉冲高度和受冲击面积大小两个变量的二维直方图来描述,而建立直方图需完成点蚀速率和脉冲高度测量两种试验。计算质量损失速率所需的 S和 σ等参数,可在二维直方图的帮助下求出。对于316L不锈钢而言,模型预测计算结果与文丘里管空蚀实测结果基本一致。     

气-液两相泡状流K—ε紊流模型

本文详细讨论了一个用来模化气-液两相泡状流的K—ε紊流模型推广形式。该模型将两相流中的紊流扰动分解成剪切力诱导和气泡诱导两个部分,并假设两者是可以线性叠加的。由此引出了两个时间常数模型,该模型与均匀两相紊流数据和管流数据符合很好。模型中各系数仍使用单相K—ε模型的形式,只新引入了气泡虚拟容积系数这一参数。运用该模型不但可令人满意地计算紊流各量的变化趋势,而且可预报紊流扰动的衰变特性。     

考虑表面扩散的页岩气渗透率两区复合解析模型

页岩气是一种以吸附态和游离态为主,赋存于纳米级多孔介质中的一种非常规气藏,其渗流特征较常规气藏存在较大的差异。前人研究表明,页岩气运移过程存在多种渗流机理,主要包括:达西渗流、滑脱效应和扩散。虽然前人对自由气扩散的渗流机理模型进行了大量的研究,但是大多没有考虑吸附气表面扩散对渗流的影响。针对以往研究的不足,该文采用两区复合概念模型,建立了考虑吸附气表面扩散、达西渗流和滑脱效应的气体渗流模型,将吸附气和自由气运动关系利用修正的滑脱速度边界条件进行耦合,采用等值渗流阻力法对气体在纳米孔隙介质中渗流的关键参数―渗透率―进行了深入研究,获得了适用于任意克努森数范围的页岩气渗透率解析模型。通过对不同尺度、不同压力下的储层在考虑表面扩散等多重机制下的渗透率进行了计算并发现:吸附气表面扩散是页岩气渗流的重要机理,其对渗透率的贡献会对页岩气藏储层评价和开发方案制定以及增产改造施工设计产生重要影响。     

裂隙岩体渗流耦合数值分析方法及其工程应用

针对岩体中主干裂隙和网络状裂隙提出了耦合渗流数值模型模拟分析岩体地下水三维渗流的方法。使用离散介质渗流模型描述岩体主干裂隙中的水运动，使用连续介质渗流模型描述网络状裂隙中水运动。连续介质充满整个研究域，离散介质按主干裂隙的实际空间分布嵌入连续介质中，并依据裂隙壁水力条件耦合两者。该方法逐个计算主干裂隙的渗流，充分体现主干裂隙的特殊水力作用；同时又避免了逐个计算网络状裂隙中的渗流所带来的困难，可以在较大尺度上分析渗流，便于工程应用。理论例子显示它能比较客观地反映裂隙岩体的渗流特性。该方法被应用到乌江构皮滩水利枢纽岩体渗流的分析中。     

BREACH模型与MIKE21模型在溃坝风险中的耦合分析

BREACH模型常用来模拟水库大坝漫顶及管涌溃坝模式并获取溃口流量与时间关系,MIKE21模型常用来模拟湖泊、河口、海湾等二维水动力学并获取洪泛区内洪水风险信息要素,两大模型耦合分析在保障水库大坝安全运行及风险管理方面发挥了积极作用。以BREACH模型模拟溃口流量动态数据过程与溃口演变尺寸为基础,通过ArcGIS预处理地形文件、工程建筑物参数与水文数据,构建MIKE21二维水动力学模型并计算网格差值空间,利用Flow Model模块生成溃坝洪水模拟文件,采用判别溃口流量差值是否满足精度要求的迭代法来耦合两大模型,最终结合所要分析水库大坝的工程概况,计算不同风险情况下的水库大坝溃坝洪水淹没水深与范围,进而模拟溃坝洪水演进过程。该方法已成功应用于郑州常庄水库风险分析,结果表明,该方法能客观反映溃坝洪水行洪情况,使用方便,为水库大坝运行管理与应急处置提供了一定的技术支持。     

基于偏最小二乘回归与神经网络耦合的岩溶泉预报模型

本文将偏最小二乘回归与神经网络耦合，建立了泉流量预报模型。利用偏最小二乘法对影响岩溶泉流量的诸多因素进行分析，提取对因变量影响强的成分，从而克服了变量之间的多重相关性问题，降低了神经网络的输入维数。同时，利用神经网络建模可以较好地解决非线性问题。实例表明，本耦合模型的拟合和预报精度均优于独立使用偏最小二乘回归或神经网络建模的精度。     

荆江三口分流BP网络预报模型研究

荆江三口是江湖关系调整的重要纽带.以长江干流上游来水、洞庭湖区水位以及下游顶托等影响因子为模型输入向量,运用BP网络建立了荆江三口分流流量预报模型,该模型具有1 d的预见期.预报结果表明,模型基本合理可靠.模型不仅可为荆江河段洪水演进计算提供边界条件,而且也为分析三口分流变化规律以及江湖关系等研究提供可靠依据.     

竖井式水平旋流洞含气水流模型相似律

针对竖井水平式旋流洞通气孔模型试验中通气量和掺气水流的含气率在进行原型数据换算中存在的问题,考虑到空气可压缩性,通过对气液两相流基本方程的相似理论研究,导出原模型的力学相似律.在进一步研究竖井水平旋流洞模型相似律的基础上,推导出竖井式水平旋流洞原、模型通气管截面积的换算关系和原、模型含气率分布的换算关系.将所得理论公式应用于公伯峡水电站竖井式水平旋流式泄洪洞模型试验,并为原型观测结果所证实.     

河道型水库溢油费伊模型与油粒子模型的对比研究

针对河道型水库溢油模拟研究匮乏的现状,以龙溪口库区河道突发溢油事故的预测模拟为例,分别建立了传统费伊(FAY)模型及油粒子模型,力图探明这两种主流模型在求解狭长河段溢油扩散时的特性。研究结果表明:FAY模型侧重于油膜扩展阶段中油膜厚度的精细模拟,但在水文情势复杂的河道溢油模拟过程中没有有效考虑流场、风场、地形对油膜漂移、扩散的影响;油粒子MIKE21-OS模型则克服了上述不足,对于河道溢油的模拟具备一定精度。模拟结果可为龙溪口库区突发溢油事故的预测预警提供参考。     

河流泥沙水文学模型边界条件参数化方法探讨

针对河流泥沙水文学模型,在对基础方程(考虑上站来水含沙量的幂律函数公式)基本内涵(不平衡输沙理念、相对空间概念及自动调整作用)综合分析的基础上,从河道边界条件(河段长度、宽度、比降等)参数化角度出发,提出根据河道边界条件确定模型参数的方法。边界条件参数化方法途径主要包括:统计分析方法与理论比较途径。其中,统计分析方法宜先对同一河段选用同一进口断面,分别选取下游不同距离出口断面,通过实测资料统计回归,研究参数随距离的变化规律;理论比较途径主要基于对水文学、水动力学模型方程的理论比较分析,探求参数的计算方法。从断面质点系统跟踪角度来看,河流泥沙水文学与水动力学模型关于空间变化的基础方程,经过空—时变量变换均可表示为关于时间变化的滞后响应模型方程形式,两者区别在于对描述系统水沙组合的特征变量选择不同。河流泥沙水文学模型边界条件参数化最终结果转化为了水沙质点系统的调整时间与泥沙沉降时间,这从另一角度提供了对河流泥沙水文学模型方程物理意义的理解。     

虹吸式出水流道水力性能数值计算湍流模型适用性

为寻求适用于大型低扬程泵站虹吸式出水流道水力性能数值计算的湍流模型,首先采用透明流道模型对某低扬程泵站虹吸式出水流道进行了试验研究,测试了流道水头损失并分析了流道内流态; 在网格无关性分析的基础上,选择常用的一方程湍流模型(S-A湍流模型)、二方程湍流模型(k-ε湍流模型、k-ω湍流模型)及Reynolds Stress湍流模型分别对该虹吸式出水流道水力性能进行了三维湍流流动数值计算,并将计算结果与模型试验结果进行比较。结果表明:与一方程湍流模型和Reynolds Stress湍流模型相比,二方程湍流模型在虹吸式出水流道水头损失的计算中更具优越性,采用Standard k-ε,Realizable k-ε和SST k-ω等3种二方程湍流模型计算得到的流道水头损失相对误差小于3%,其中,Standard k-ε湍流模型计算得到的流场与模型试验结果最吻合。