冰波运动特性及盖移质输冰能力研究

冰下盖移质冰颗粒集体运动时易形成一种特殊的冰情现象——冰波，其运动特性与冰塞形成、堆积演变及输冰能力密切相关。为探究冰波运动特性及盖移质输冰能力，借鉴泥沙输移理论，从理论层面建立了冰波运动的基本控制方程与盖移质输冰率方程，进一步推求了无量纲盖移质输冰强度（输冰能力）与水流强度的本构关系。结果表明:冰波形成需要一定的水力条件，冰波波高与背流面波长的变化及表征水流强度的弗劳德数Fr相关，同时也受水深、冰下阻力等因素的综合影响；建立的输冰率公式体现了输冰能力与水流条件的关系，且考虑了冰盖影响，优化了输冰能力的计算结果；总体上，输冰能力与水流强度呈复杂的函数关系，但水流强度仍是体现输冰能力的主要指标与便捷指标。研究结果可为寒区河流输冰能力的计算提供理论参考，同时可辅助揭示河流冰塞的形成机理。     

试论浮冰水力模型的相似律

本文指出,只要满足水流条件和浮冰运动条件的相似性,就可利用浮冰水力模型研究河冰运动规律;进而提出了水流条件、浮冰运动特性以及冰流量的相似关系式。     

江河冰塞糙率的分析研究

本文对江河冰塞糙率的主要研究成果进行了分析,指出了目前江河冰塞糙率研究成果的共同缺点是没有把冰塞糙率与水流强度及水流的含冰率联系起来,而认为冰塞糙率是冰厚或时间的函数。根据黄河河曲段6年的冰塞实测资料,建立了冰塞糙率与河床糙率的比值和水流佛汝德数的关系。据此,对实验室模拟冰塞糙率进行了分析研究,建立了模拟冰塞糙率与河床糙率的比值和水流佛汝德数及水流含冰率等关系式。文中还对一些问题进行了讨论,认为冰塞下水内冰花的堆积运动应与泥沙在河床上的运动相似。     

基于床面层能量平衡关系的推移质输沙率计算式

基于床面层内的水流能量关系,推导了推移质输沙率与床面层内有效水流功率的关系式.实测资料表明,推移质输沙率与床面层内有效水流功率有良好的相关性,且高于推移质输沙率与水流功率的相关性.经2 800组试验资料与天然河流资料的检验表明,该关系式的适应性良好,计算精度较高,并优于同类型的基于水流功率的推移质输沙率公式.     

矩形明渠边界平均剪切应力变化规律研究

针对棱柱型矩形明渠的特点 ,在分析均匀流运动机理的基础上 ,认为水流可以分为河床作用部分和岸壁作用部分 ,各部分分别作均匀流运动。在分析水体能量消耗的物理模式的基础上 ,提出了面积分割的补充关系。对于河床和岸壁糙率相同的情况 ,利用静力平衡条件和水流连续方程 ,可推得水流槽底、岸壁剪应力的计算关系式。对关系式的讨论表明 ,公式结构合理 ,能反映明渠水流的特点。对已有水槽试验资料进行的分析表明本文提出的计算关系式较好地描述水流的实际情况 ,比已有的公式更简便可靠。     

飞来峡溢流坝结构流激振动

推导了溢流坝结构的水弹性相似条件，提出了多相水弹性相似模拟技术，使水流运动一砼结构与金属结构振动，以及水流与结构、结构与结构的耦合作用，同时满足水弹性相似要求，通过水工模型，结构模型及水弹性相似模型，全面地研究了水流流态，结构动荷载，结构动特性、流激结构振动情况，以及抑振措施。     

飞来峡溢流坝结构流激振动

推导了溢流坝结构的水弹性相似条件，提出了多相水弹性相似模拟技术，使水流运动－砼结构与金属结构振动，以及水流与结构、结构与结构的耦合作用，同时满足水弹性相似要求。通过水工模型、结构模型及水弹性相似模型，全面地研究了水流流态、结构动荷载、结构动特性、流激结构振动情况，以及抑振措施。     

河流弯道取水口河冰动力学模型的建立方法

为保障河流弯道取水口在冰期的安全、稳定运行,以黄河内蒙古段某电厂弯道取水口为研究对象,研究建立了河流弯道取水口河冰动力学模型。研究主要分为实体模型试验、数学模型开发及调试、优化排冰方案3个步骤。实体模型试验的目的是研究弯道取水口处水流的运动特性及其对河冰运动的影响,分析河冰在弯道处的运动规律及积累过程;数学模型主要包括水流非恒定流模型和冰动力模型,通过模拟不同工况下河冰的运动情况来不断优化和完善数学模型;优化排冰方案是通过运行不同的导冰筏设计方案确定出合理的设计结构,最终提出针对不同弯道取水口的合理、有效的排冰模式。     

变态模型对水流运动相似的影响

归纳了模型变态的三种主要方式，重点对垂直比尺与水平比尺不同（λh≠λl=λB）的方式进行了介绍，分析模型变态对水流运动相似的影响，推导建立了其变态模型比尺关系，并重点推导出了矩形、梯形断面河渠的糙率比尺关系式。     

河流弯道取水口河冰动力学模型的建立方法

为保障河流弯道取水口在冰期的安全、稳定运行,以黄河内蒙古段某电厂弯道取水口为研究对象,研究建立了河流弯道取水口河冰动力学模型.研究主要分为实体模型试验、数学模型开发及调试、优化排冰方案3个步骤.实体模型试验的目的是研究弯道取水口处水流的运动特性及其对河冰运动的影响,分析河冰在弯道处的运动规律及积累过程;数学模型主要包括水流非恒定流模型和冰动力模型,通过模拟不同工况下河冰的运动情况来不断优化和完善数学模型;优化排冰方案是通过运行不同的导冰筏设计方案确定出合理的设计结构,最终提出针对不同弯道取水口的合理、有效的排冰模式.     

MEASURING SEA ICE DRIFT VIA CROSS-CORRELATION OF RADAR ICE IMAGES

The motion of sea ice has a great effect on winter navigation, and oil field exploration in the Bohai Sea. It is very important to measure the ice drift accurately and efficiently. As a practical technique, radar imagery has been used for sea ice monitoring and forecasting for a long time. Combining with the radar imagery and cross-correlation technique, a new measurement method based on the cross-correlation of radar ice images is specified in this paper to obtain full field measurement of sea ice drift. The theory and fast implementation of cross-correlation are presented briefly in the paper, ineluding the filtering method to modify the invalid vectors. To show deeply the validity of the present method, the velocity maps of sea ice drift are provided in the paper, which are calculated from the radar images grabbed in the Liaodong Gulf.The comparison with the traditional tracing method is also conducted.     

基于不同碰撞模型的流冰—输水隧洞碰撞动态响应研究

位于西北寒区的输水隧洞在流冰期输水时会受到流冰不同程度的撞击作用。由于流冰与隧洞衬砌撞击时水介质会对其撞击结果产生一定的扰动性,因此,为了研究水介质对于中小型流冰撞击结果的影响作用,以引大入秦工程盘道岭37#隧洞为研究对象,分别建立基于附加质量法以及流固耦合法的流冰-输水隧洞碰撞模型,结合有限元软件LS-DYNA,对流冰撞击输水隧洞衬砌的动态响应进行研究。研究表明:由于水介质的作用,两种碰撞模型中隧洞衬砌高应力区存在着一定的差异性;在模拟流冰撞击输水隧洞时,附加质量模型的计算结果普遍偏大,但其具有建模简单且计算时间较短的优点;流固耦合模型由于将碰撞过程中动水作用以及流冰与输水隧洞逼近时产生的“水垫效应”考虑在内,使其能够更真实地模拟流冰与输水隧洞的真实碰撞状况。     

ANALYSIS OF FRAZIL JAM DATA FROM HEQU REACH OF THE YELLOW RIVER

ＡＮＡＬＹＳＩＳＯＦＦＲＡＺＩＬＪＡＭＤＡＴＡＦＲＯＭＨＥＱＵＲＥＡＣＨＯＦＴＨＥＹＥＬＬＯＷＲＩＶＥＲＷａｎｇＤｅ－ｓｈｅｎｇ；ＳｈｅｎｇＨｕｎｇ－ｔａｏ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｉｖｉｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎ...     

基于离散元方法与水动力学耦合的河冰动力学模型

流凌和冰坝是我国北方冬季比较常见的河冰现象,尤其冰坝,可导致严重的凌洪灾害,是河冰研究中的重要部分。本文将离散单元方法与二维水动力学相耦合,建立河冰的动力学数值模型,以模拟河冰输移、聚集、堆积,以及冰坝形成的动力过程。针对河道中大量密集且几何形状随机的流冰现象,采用扩展多面体单元对冰块进行构造,并通过离散元接触模型表征河冰输移和冰坝形成过程中冰块间的相互作用。河流水动力部分则采用考虑河冰影响的二维非定常浅水方程进行描述,并采用有限元方法进行数值计算。冰水耦合中的计算参数由河冰离散单元与其所在水动力学有限元网格节点的位置插值计算得到。通过对冰盖封河造成水位抬高过程的数值模拟,并将计算结果与理论分析结果以及DynaRICE河冰模型的模拟结果进行对比,以验证模型的有效性。在此基础上,对规则河道中河冰输移、堆积和形成冰坝的过程进行数值模拟和结果分析。通过以上河冰离散元与水动力学的耦合方法及其对河冰动力过程的数值模拟,对河冰动力过程从细观角度进行新的认识并为河冰动力过程研究提供一种有效的数值方法。     

河流水冰沙耦合模型研究Ⅰ：原理和方法

河流水沙研究一般忽略冬季河冰对泥沙输运、河床侵蚀和岸滩崩塌的影响,但北方河流如黄河等冬季冰期的防凌减灾和河道的演变均不能忽略河冰过程,亟需研究河冰全过程影响下的水冰沙耦合作用机理。本文首先总结了河冰水力学的理论发展,针对北方河流建立了二维水冰沙耦合数学模型,包括二维水沙数值模块、河冰动力学模块和岸滩侵蚀模块,并介绍了该耦合模型的求解步骤和方法。研究表明:通过三个模块间的信息传递和数据反馈,该数学模型具备模拟冰塞冰坝等极端工况下的水流变化、河冰堆积和释放、泥沙运动、河床冲淤和岸滩侵蚀等过程的能力。该模型将水沙理论和河冰理论结合起来,可用于北方河流全季节与河冰生消全过程的水冰沙耦合过程模拟,为北方河流管理提供了有力工具。     

黄河头道拐段冰输移及堆积过程数值模拟

头道拐河段因其特殊的河道形态及地理位置而成为黄河内蒙古段最易形成冰坝的河段,研究该河段河冰输移及堆积过程是理解内蒙古段河冰过程及卡冰结坝作用机理的关键。本文基于耦合的二维有限元水动力学模型和DPM(Discrete Parcel Method)河冰动力学模型,模拟了黄河头道拐河段2020—2021年冬季封河过程并进行了验证,讨论了不同水力条件、上游流凌密集度及河道形态对封河过程的影响。结果表明：相比于官牛犋弯道,河道弯曲率大、束窄程度高的什四份子弯道更易形成卡冰,且流量越小,卡冰作用越明显,冰盖向上游发展速度越快。河道流凌密集度小于0.4时,各种流量下研究河段未发生卡冰;流凌密集度增大至0.4,表面流冰首先在弯曲率系数较大的什四份子弯道处形成卡冰,随着流凌密集度和流量的进一步增大,下潜并输移到下游的流凌也会在官牛犋弯道形成卡冰,因此,头道拐河段形成卡冰的流凌密集度临界条件为0.4。应用冰水耦合二维动力学模型可以很好地模拟天然河道河冰输移、堆积过程中河道的水力特性、冰厚增长及封河形态,揭示了影响河冰过程的相关因素及作用机理,为黄河内蒙古段防凌减灾工作提供技术支撑。     

Comprehensive two-dimensional river ice model based on boundary-fitted coordinate transformation method简

River ice is a natural phenomenon in cold regions, influenced by meteorology, geomorphology, and hydraulic conditions. River ice processes involve complex interactions between hydrodynamic, mechanical, and thermal processes, and they are also influenced by weather and hydrologic conditions. Because natural rivers are serpentine, with bends, narrows, and straight reaches, the commonly-used one-dimensional river ice models and two-dimensional models based on the rectangular Cartesian coordinates are incapable of simulating the physical phenomena accurately. In order to accurately simulate the complicated river geometry and overcome the difficulties of numerical simulation resulting from both complex boundaries and differences between length and width scales, a two-dimensional river ice numerical model based on a boundary-fitted coordinate transformation method was developed. The presented model considers the influence of the frazil ice accumulation under ice cover and the shape of the leading edge of ice cover during the freezing process. The model is capable of determining the velocity field, the distribution of water temperature, the concentration distribution of frazil ice, the transport of floating ice, the progression, stability, and thawing of ice cover, and the transport, accumulation, and erosion of ice under ice cover. A MacCormack scheme was used to solve the equations numerically. The model was validated with field observations from the Hequ Reach of the Yellow River. Comparison of simulation results with field data indicates that the model is capable of simulating the river ice process with high accuracy.     

大庆水库冰表面温度特征及其在冰工程实践应用方法探讨

根据冰面热平衡方程并以大庆红旗泡水库冰面观测的气温、太阳辐射、风速、相对湿度、冰厚数据以及水库附近安达气象站记录的云量、湿度和海平面气压数据,求解了2009/2010年度冬季的冰表面温度,并分析了冰表面温度特征及其同太阳辐射之间的关系、同气温、风速之间的响应关系。在此基础上,就传统考虑的抗冰工程设计所需的设计冰表面温度进行了评估;就日益增加的安全用冰工程设计所需冰表面温度取值也给予定量讨论;对气候变化下的冰内和冰下水体生态适应问题所需的冰面温度日内变化速率和开河期冰凌爆破所需冰表面温度的取值也进行探索。尽管受国际气象资料观测规定的限制,历史资料的应用存在利用接近观测时刻资料的事实,但仍然期望这些分析和讨论能够推动科学地、更广阔地应用冰表面温度。     

用气温和冰厚修正黄河冰内雷达波速的物理机理和参数化

黄河平封冰和立封冰中冰晶体间以水膜形式存在有未冻结的自由水和非自由水,其含量随冰温变化。理论上冰内雷达波速取决于冰体自身的晶体结构和组分,但冰内未冻水含量可对其产生明显的影响;冰内未冻水含量取决于冰温,冰温又受控于气温、辐射和冰厚。分析了黄河什四份子2020—2021年冬季气温和雷达探测冰厚数据,发现气温主导的未冻水含量变化是影响雷达准确探测平封冰厚度的首要因子。通过确定黄河冰-水界面热通量,并引入含有气温、辐射、风速、云量的一维冰热力学模型,结合13个钻孔实测冰厚,计算了与雷达探测冰厚时刻一致的1251个热力学模拟冰厚。在此基础上,分别获得了气温升高过程和降低过程中粒状冰、柱状冰内雷达波速受气温影响以及受气温和冰厚联合影响的统计关系。最终确定将气温和冰厚对雷达波速联合影响的统计关系作为平封冰雷达波速动态修正的参数化方案,依此将固定式雷达冰内雷达波速由常数更换为函数,从而提高了平封冰雷达冰厚探测的精度。根据黄河存在非冻结冰花和堆积碎冰块,建议开展不同类型冰厚探测研究。     

南水北调中线工程冰期输水冰情及措施研究

在系统分析中国北方河渠冰期输水问题的基础上,通过采用一维非恒定水-冰热力学数学模型,系统模拟了输水过程中沿程不同冰情发生、发展变化过程.提出了采用Fr数、流冰密度、负积温综合判别不同冰情的方法,预测了南水北调中线工程冬季输水不同冰情的时空分布特征,并初步分析了冰期输水的特性及影响因素,提出了冰期输水冰情防治和预防措施等方面的建议.