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。     

动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型

现有大部分溃坝水流模型仅适用于模拟定床条件下的水流演进,但溃坝水流经常可在动床条件下演进。因此非常有必要同时模拟溃坝洪水演进时的水沙输移及床面冲淤过程。本文首先建立了动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型。该模型主要由二维浑水控制方程、非均匀沙不平衡输移方程及河床冲淤方程组成,采用水沙耦合解法以及基于无结构三角网格下的有限体积法离散。同时利用Roe-MUSCL方法以及时间方向的预测-校正格式,使模型在时空方向具有二阶计算精度。然后采用已有算例及水槽试验资料对模型进行了初步验证。最后采用该模型研究了均匀沙及非均匀沙床面对典型溃坝水流演进的影响。模拟结果表明溃坝水流在定床及动床条件下的演进过程明显不同。溃坝水流因流速大,床面变形较快,且床面冲淤速率可与水流变化速率相当,故需要采用浑水控制方程及耦合解法。     

动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型

现有大部分溃坝水流模型仅适用于模拟定床条件下的水流演进,但溃坝水流经常是在动床条件下演进.因此非常有必要同时模拟溃坝洪水演进时的水沙输移及床面冲淤过程.本文首先建立了动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型.该模型主要由二维浑水控制方程、非均匀沙不平衡输移方程及河床冲淤方程组成,采用水沙耦合解法以及基于无结构三角网格下的有...     

平面二维河床冲淤计算有限体积法

给出了边界层坐标系下平面二维河床冲淤计算数学模型方程 ,并用河势贴体正交曲线二维网格形式来划分计算区域 ,模型控制方程及定解条件采用有限体积法进行离散 ,数值求解基于SIMPLE算法。该模型用武汉河段天然实测资料进行了验证 ,并在工程实践中得到了大量的应用和检验     

柘林水库下游河道平面二维泥沙数学模型及其应用

对水库下游河床泥沙冲淤变化数值模拟研究已有很多报道，但对水库溢洪道下游具有天然覆盖层河道因未泄过洪水没有实测资料供模型验证，且覆盖层分层较明显和表层覆盖层具有粘性作用等，目前有关这方面研究成果报道较少。本文建立了正交曲线坐标系下平面二维泥沙数学模型，并应用于柘林水库下游河床泥沙冲淤变化计算，同时对计算中的有关参数选择进行了详细地分析，结果可供部门参考。     

库区平面二维水沙数学模型的 研究与应用

本文建立了库区平面二维水沙数学模型,应用有限体积法思想,增强了模型的适应性和灵活 性。利用该模型对庙宫水库库区内的水流和泥沙冲淤进行分析研究,结果表明,模型能较好地模拟水 库的河道水流泥沙运动及河床变形情况,将其应用于庙宫水库蓄水排沙预报的模拟计算中,通过综合 对比,提出了水库现状泄流条件下最优清淤方案。     

平面二维对流输移问题新解

在普适性好的三角形网格上，针对平面二维非恒定对流输移方程解，本文提出一个准三阶精度的数值方法。其 原理是沿着双特征线将二维对流经成特征关系，确定了任意时刻空间两点上待定解的解切关系，并利用三角面元顶点函数和导数值，解了作三角面元的中点约束，建立一个受限制的三次爱尔米特插值多项系，据此完成待求函数的数值解。     

漫滩洪水水沙输移的数学模型及其初步验证

本文初步提出了天然冲积河流滩槽泥沙交换的三种模式,分析了入滩含沙量与主槽含沙量的关系,以非均匀泥沙上扬模式为基础,建立了漫滩洪水的一维扩散方程。针对天然河流滩槽流线长度不同的情况,对以往的一维水流连续与运动方程进行了修正。以此为基础利用黄河下游实测资料进行了验证计算,结果表明,计算结果与实测符合较好。     

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。     

黄河下游河道不同洪水粗细泥沙输移和冲淤调整

本文根据黄河下游近十二年不同洪水的实测资料，分析了各级洪峰在下游的冲淤特点，指出了不同来源区洪水含沙量的沿程变化规律。     

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。     

黄河河口水沙运动的二维数学模型

本文针对黄河河口河道水沙潮波的特点，从水流连续方程、运动方程，泥沙运动方程出发，补充了潮流挟沙能力的计算公式，建立了黄河河道河口二维数学模型。以1982年实测资料，从潮位过程、流速大小和方向及海底冲淤变形等方面对数学模型进行了验证计算。在此基础上开展了典型水沙条件下黄河河口泥沙运动规律的模拟研究。其结果揭示了黄河河口清水沟所处海域的潮流潮汐特性和泥沙输移规律。这些成果与实测资料以及卫星遥感分析结果一致，进一步表明了模型的可靠性。     

河口水流、波浪、潮流、泥沙、河床变形二维数学模型

根据河口“波浪掀沙，潮流输沙”的泥沙运动机制，引入“波浪幅射应力”反应波浪对水体和泥沙的驱动力．考虑波浪对底部泥沙作用力、波浪对水流挟沙能力的影响及风场对水流和泥沙运动的影响．同时考虑泥沙粒径大小、水体含盐度、含沙量及水流紊动程度等因素对絮凝沉速的影响．用ＡＤＩ算法求解沿水深平均方程，破开算子法解悬移质不平衡输沙方程及河床变形方程，引入通度概念处理岸滩不规则边界，建立河口水流、波浪、潮流、泥沙、河床变形二维数学模型．通过实测资料及卫星摇感图像对所建数学模型进行检验，表明它可以较好地预测河口泥沙的运动     

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.     

基于有限体积法及FDS格式的感潮河段二维泥沙冲淤模型

本文以木兰溪下游裁弯河段为例，建立了有限体积法的水平二维非恒定流均匀沙不平衡输移计算模型。采用黎曼近似解通量差分裂(FDS)格式计算通过各单元边的水流、含沙量法向数值通量，并应用相关的悬移质、推移质河床变形计算公式计算冲淤变化。数值模型经相应的河工模型试验资料率定、检验后，预测了裁弯工程建成后河道可能的冲淤变化，为工程设计和施工提供依据。     

考虑环流横向输沙及河岸变形的平面二维扩展数学模型

本文考虑弯道环流输沙效应，在泥沙运动基本方程中增加了反映环流横向输沙附加项，对平面二维水沙数学模型的悬移质、推移质输沙方程和河床变形过程进行了扩展。借助土力学中关于边坡稳定性理论中的圆弧滑动法，并引入多杈树搜索方法，建立了适用于平面二维数学模型的河岸崩塌变形计算方法。经扩展后的平面二维水沙数学模型能模拟环流横向输沙及由其引起的河床冲淤和河岸变形，并应用该模型模拟了弯道发生、发展过程，计算结果与已有的认识是一致的。     

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。     

平面二维非均匀泥沙OpenMP并行计算模型

为实现平面二维非均匀泥沙模型并行计算,采用OpenMP指令对串行源程序进行改造。基于三角形-四边形混合网格的平面二维非均匀泥沙有限体积模型具有显式求解时网格单元相互独立性这种特性,Fortran串行源程序无需进行较大的修改,只要在循环计算和数组整体操作部分嵌入OpenMP循环并行指令和数组并行指令,即可实现并行计算。案例分析结果表明,在并行线程数目等于计算机固有线程数目时,并行加速比达到最大值1.55;OpenMP技术使用线程间共享内存的方式协调并行计算,很适合在多核计算机上运行,且编程简单灵活,将随着计算机硬件性能的提高得到更广泛的应用。     

河道及河口一维及二维嵌套泥沙数学模型

建立了一种河道及河口一、二维嵌套的泥沙数学模型，对基本的控制方程、方程的离散和求解方法、嵌套连接条件以及非均匀沙的处理等问题进行了研究。以非恒定非均匀不平衡输沙理论作为本文建模的基础，为方便处理，通过交界面的水位、流量和含沙量等的传递，在每一迭代内进行耦合计算。数值模拟结果与实测资料吻合较好，且计算省时，表明本文建立的嵌套模型是一种解决某些实际工程问题的可靠的和高效的工具。