考虑涌潮作用的钱塘江二维泥沙输移数值模拟

钱塘江涌潮前后水位、流速和含沙量等物理量存在突变,给数值模拟带来了很大的困难,常规的数值模型往往不能准确模拟涌潮作用下的泥沙输移。在已建立的二维涌潮数值模型的基础上,应用基于准确Riemann解的Godunov格式建立了二维泥沙数值模型,模型首先检验了纯对流问题,然后模拟了钱塘江涌潮作用下的泥沙输移,计算结果反映了涌潮到达时刻含沙量的突变过程以及涌潮对泥沙输移的影响,揭示了钱塘江河口高含沙区的成因,以及涌潮是钱塘江河口大冲大淤的机理之一。     

考虑涌潮作用的钱塘江二维泥沙输移数值模拟

钱塘江涌潮前后水位、流速和含沙量等物理量存在突变，给数值模拟带来了很大的困难，传统的数值模型往往不能准确模拟涌潮作用下的泥沙输移。在已建立的二维涌潮数值模型的基础上，应用基于准确Riemann解的Godunov格式建立了二维泥沙数值模型，模型首先检验了纯对流问题，然后模拟了钱塘江涌潮作用下的泥沙输移，计算结果反映了涌潮到达时刻含沙量的突变过程以及涌潮对泥沙输移的影响，揭示了钱塘江河口高含沙量区成因，以及涌潮是钱塘江河口大冲大淤的机理之一。     

考虑水沙相互作用的河堤溃决二维数值模型

该文建立了洪水漫堤导致河堤溃决的平面二维水沙运动数值模型,以模拟溃口扩展和堤身冲刷的过程。该模型基于有限体积法、采用显式格式求解平面二维水流运动和非平衡全沙泥沙输移方程,并考虑了边坡崩塌、底床急剧变形以及高浓度泥沙输移对水流运动的影响。溃口处的混合流场采用HLL approxim ate Riemann solver处理,非黏性土溃口边坡的崩塌采用不同干、湿静止角处理。通过对英国HR Wallingford实验室一组实验的计算,结果表明该模型能较好地模拟非黏性土堤坝溃决过程中的溃口展宽、坝体冲刷、流场分布以及溃口流量过程线。对模型参数的敏感性分析显示了水沙耦合溃决模型的非线性特征。     

基于Flow-3D的圆柱形桥墩局部冲刷大涡模拟

为预测圆柱形桥墩周围的局部冲刷坑形态和最大冲坑深度,基于Flow-3D软件的水动力学模块和泥沙输运模块对桥墩附近局部冲刷进行了三维数值模拟。以Melville冲刷试验为原型,采用LES大涡模拟方法,模拟了桥墩附近湍流流场。以床面瞬时切应力作为泥沙起动、输移条件,采用Van Rijn输沙率公式计算床面冲淤。采用FAVOR技术追踪河床形态变化,得到了桥墩附近局部冲刷形态。经实测资料验证,计算结果与模型实测的冲坑形态及最大冲坑深度基本吻合。     

不规则波作用下墩柱周围局部冲刷研究

对相对柱径较大（0．15〈D／L〈0．5）的圆柱式结构物在不规则波作用下周围的局部冲刷情况，进行了多组试验研究，系统地研究了不规则波作用下圆柱周围地形的变化规律，试验中分别考虑了波浪的波高、周期、水深、泥沙粒径及圆柱直径等因素对圆柱周围局部冲刷地形的影响，分析了圆柱周围冲淤地形形成的机理，特别是对床面泥沙粒径因素进行了详细分析，认为波浪作用下圆柱周围冲刷深度与床面粒径并不成反比关系，而是在d50=0．18mm附近最小，在此基础上提出了不规则波作用下圆柱周围最大冲刷深度及其发生位置的计算公式。     

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。     

基于间断有限元方法的二维悬沙数值模型的建立

基于间断有限元法建立了具有二阶精度的非结构化网格二维悬沙数值模型。矩形浓度场理想算例模拟结果表明,模型具有捕捉浓度间断的能力。在此基础之上,进一步模拟了水槽中泥沙冲刷和输移过程,模拟结果表明,数值解与实测值吻合程度较好,模型可以较好描述二维悬沙运动。     

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。     

床面上短圆柱体局部冲刷三维数值模拟

床面上短柱体局部冲刷的机理复杂,运用三维有限体积法,对其局部冲刷情况进行了模拟.采用k-ε紊流数值模型,计算柱体周围的紊动流场,利用经验公式计算该时刻的推移质输沙率,运用动网格技术,处理床面地形随时间的变化.推移质计算充分考虑了床面坡度和流向对推移质输沙率和临界起动剪切力的综合影响.改进沙滑模型,修正当生成的剖面坡度超过泥沙休止角时造成模拟的失真,同时克服数值计算的不稳定性.计算结果和水槽试验资料对比分析,二者符合较好.该模型可以用于海底结构物如桥墩、管道、丁坝等的局部冲刷的数值模拟计算.     

截流戗堤单向进占的局部冲刷三维数值模拟

戗堤截流主要在河道截流和堤坝溃口封堵等水利和防洪减灾工程中得到应用,戗堤周围的水力冲刷直接影响工程的安全性。由于戗堤进占过程表现出较强的三维非恒定性,因此目前采用三维数值模型全面细致地模拟进占过程中戗堤周围的三维水流结构和冲刷特性较少。该文基于有限体积法和非结构化的计算网格构建了以水动力学模型、泥沙冲淤和河床变形方程为基础的三维局部冲刷数值模型,从室内明渠截流工程实验中得到的龙口平均流速、上下游水位落差、底床切应力分布与地形变化的关系等结果验证了数值模型的可靠性。利用该数值模型模拟了截流戗堤单向进占方式下不同进占长度时戗堤附近和龙口处的三维水流特性,以及戗堤周围局部冲刷地形的发展。通过分析水流特性与冲刷坑发展的关系,阐述了戗堤周围局部冲刷的物理成因。研究结果表明:涡旋和下潜水流是戗堤附近河床剧烈淘刷的主要原因;单向进占时戗堤对水流具有偏移效应;在初始阶段,冲刷趋势表现为沿堤头的上游至裹头下游形成的斜向轴线冲刷;在冲刷发展过程中,龙口中部出现泥沙淤积,主要冲刷区位于戗堤和裹头绕流后的底床。研究成果进一步表明数值仿真技术可应用于工程截流实践中,能预测截流中可能出现严重堤脚淘刷的位置与趋势。     

波流作用的近岸圆柱局部床面侵蚀

波浪流对近岸浅水带床面作用强烈,该区域结构物局部床面侵蚀显著,潜存致灾威胁。用三维数值方法研究了瞬态孤立波作用下非黏性沙海床上的近岸圆柱体局部冲刷规律,分析了波浪流冲刷的3类主要影响要素,讨论了近岸地形条件影响下的波流冲刷深度。研究认为,表征浅水波流特征和柱体尺度的无量纲数Urp与KC数存在非独立关系,二者均能分别反映波流冲刷的主要规律;表示泥沙运动的力学参数Shields数在波流动床条件下仍对柱体局部冲刷有贡献;近岸地形通过床面坡度对波破碎的增强及堤岸挡墙对波浪的反射,都会影响到局部冲刷。     

二维溃坝波遇障碍物的水流泥沙数值模拟

本文通过对浅水方程进行Godunov差分离散和对泥沙运动方程进行一阶迎风差分离散，建立了平面l二维溃坝水流泥沙数值模型。在算例中计算了溃坝波遇障碍物后的水流反射、绕射及泥沙冲淤，计算结果表明，溃坝波遇障碍物后会产生明显的反射和绕射，并在障碍物前形成壅水、障碍物的侧面会发生剧烈的冲刷，障碍物前后则会发生局部淤积。本模型能够较好地模拟溃坝间断水流的运动，结果符合水流泥沙运动的基本规律。     

孤立波作用下破碎区单圆柱附近流动特性数值研究

为了合理分析孤立波作用下破碎区单圆柱附近的水流结构以及圆柱受力特性,该文利用OpenFOAM开源程序求解基于Navier-Stokes方程的三维数值模型,该模型采用S-A IDDES湍流模型,使用修正的VOF方法捕捉自由液面。研究发现,该数值模型能合理捕捉到孤立波与圆柱相互作用过程中复杂的液面形态变化;圆柱附近自由液面沿柱面呈三维分布,上爬过程的柱前雍高显著大于回落过程的柱后雍高;回落过程中柱前形成的尾涡在强度和范围上大于上爬过程中柱后形成的尾涡;圆柱表面的动水压强随水深的增长呈近似线性增长,最大值位于上爬过程中最大雍高时刻的迎浪点位置;圆柱所受的波浪力与柱面附近自由液面雍高历时相符,且上爬过程圆柱受到的波浪力明显大于回落过程。     

LOCAL SCOUR AROUND A LARGE-SCALE VERTICAL CIRCULAR CYLINDER DUE TO COMBINED WAVE-CURRENT ACTION

The local scour around a large scale vertical circular cylinder due to combined wave-current action was experimentally and numerically studied in the present paper. Experiments were carried out to research the affect of the wave height, current velocity and the diameter of the cylinder on the scour process. The topography near the cylinder in various cases during scour was measured. The cylinder diameter affects the distribution of scour and deposition area. The maximum scour depth increases evidently when the current velocity increases, The maximum scour depth does not increase after the wave height retains a certain value. A numerical model using a finite element method for simulating the scour process was established. And the numerical results agree well with the measured data. The numerical model is more applicable in the case of large-scale cylinders.     

二维溃坝波传播和绕流特性的高精度数值模拟

本文建立了二维浅水方程的高分辨率差分模型，即将浅水方程作空间差分分裂，分别沿x、y方向应用组合型的通量限制二阶TVD格式，采用Van Leer的MUSCL型限量函数，用以解决二维溃坝的计算问题.首先分别与一维理论解和其它二维结果的比较，表明本文的方法非常成功.然后对全溃和部分溃情况下的溃坝波传播和绕流问题进行了数值研究，给出了精细的数值结果，揭示了其复杂的运动特性.     

淹没垂直圆柱周围水流结构及紊流特性试验研究

淹没垂直圆柱虽在各工程领域中均有广泛的实际应用,但还没有关于其绕流场内水流结构及紊流特性的系统研究。通过室内变坡水槽试验对淹没垂直圆柱周围的瞬时流速场进行了精细测量,分析了淹没率对垂直圆柱上下游竖直对称面内三维流速、紊动强度等水力参数垂线分布的影响程度,研究了向下水流、马蹄形旋涡和尾流旋涡等典型水流结构的冲刷力随淹没率的变化规律,揭示了淹没率影响垂直圆柱周围清水局部冲刷的机理。研究结果表明:增大淹没率能够减小垂直圆柱出露于水体中的有效长度,使得垂直圆柱对水体的阻流和扰动作用减弱,也使得垂直圆柱上游迎水面处向下水流、柱周马蹄形旋涡和下游尾流旋涡的冲刷能力被有效削弱,降低了垂直圆柱周围床面泥沙被旋涡体系卷起后顺水流失的概率。     

A 3-D numerical study of solitary wave interaction with vertical cylinders using a parallelised particle-in-cell solver

This paper aims to provide a better understanding of the interaction between solitary waves and vertical circular cylinders. This is achieved via process based numerical modelling using the parallel particle-in-cell based incompressible flow solver PICIN. The numerical model solves the Navier-Stokes equations for free-surface flows and incorporates a Cartesian cut cell method for fluid-structure interaction. Solitary waves are generated using a piston-type wave paddle. The PICIN model is first validated using a test case that involves solitary wave scattering by a single vertical cylinder. Comparisons between the present results and experimental data show good agreement for the free surface elevations around the cylinder and the horizontal wave force on the cylinder. The model is then employed to investigate solitary wave interaction with a group of eleven vertical cylinders. The wave run-up and wave forces on the cylinders are discussed.