稳封期天然河道冰塞堆积的数值模拟

冬季寒区河道中容易出现冰塞，冰塞出现使过水断面减少，河道阻力增加，进而引发凌洪灾害，如2008年12月位于加拿大北英属哥伦比亚的尼查科河和2009年1月黄河壶口段均由于冰塞问题发生洪灾。应用k-ε两方程模型和冰塞面变形方程建立天然河道模型，采用有限体积法对基本方程进行离散求解，对稳封期的平衡冰塞厚度进行了模拟计算。对比黄河河曲段实测资料表明，模拟与实测结果比较一致，验证了数学模型的实效性。     

部分冰盖下水流水力特性数值模拟

运用Fluent软件建立雷诺应力模型,模拟不同冰盖覆盖度下恒定均匀流流场,从纵向时均流速、二次流、雷诺应力、紊动能等方面揭示部分冰盖下水流的水力特性。结果表明：岸冰的形成会导致冰盖下水流在断面上重新分配,明流区流速增大,冰盖下流速减小;横向动量交换产生复杂的二次流结构,涡体形状、数量、大小和位置随着冰盖覆盖度的增加而变化;雷诺应力断面分布较复杂,冰盖附近区域雷诺应力为负值,负值区范围与冰盖覆盖度密切相关,并凸向明流区;冰盖、边壁和床面的粗糙度不同导致紊动能在断面上的分布呈现出明显的差异,冰盖区紊动能大于明流区的值,反映出岸冰对冰盖下水流结构影响的复杂性。     

稳封期天然河道冰塞堆积的数值模拟

冬季寒区河道中容易出现冰塞,冰塞出现使过水断面减少,河道阻力增加,进而引发凌洪灾害。借鉴泥沙输运理论推导得到的冰塞面变形方程,并结合标准k-ε模型建立了稳封期天然河道冰塞堆积厚度的数值模拟计算模型,采用贴体坐标变换法将曲线网格转化为正交网格,控制方程离散求解采用有限体积法,选取同位网格方法将所有计算变量布置于同一控制体积,引入动量插值法和压力校正方程耦合求解速度压力场,进而求解冰塞面变形方程获得冰塞堆积厚度。选取黄河河曲段天然河道,应用模型计算得出了稳封期河道中的冰塞堆积厚度,对比实测资料表明,数值模拟与实测结果比较一致,验证了该数学模型的实效性,表明冰塞面变形方程可应用于天然河道冰塞堆积厚度的数值模拟计算。     

山区宽窄相间河道平面二维水流数值模拟

针对山区河道受地质条件及河床演化的影响,其平面形态常呈现宽窄相间的渐变形态特征,采用贴体坐标法剖分正交贴体曲线网格求解域,用有限体积法离散控制方程,以SIMPLER计算程式求解耦合方程,建立山区宽窄相间河道平面二维水流数学模型。将模型计算值与宽窄相间水槽水流试验实测值及水动力学SMS软件计算结果进行比较,结果表明:该模型能够较好地模拟宽窄相间河道平面二维水流运动特性,宽窄相间河道河宽渐变将引起水深和流速的变化,在河道最窄处水深降到最低,流速最大;在河道最宽处水深达到峰值,流速最小。     

过堰水流数值模拟研究

文章运用FLUENT软件,以某城市景观河道的水流为研究对象,对小型实用堰的过堰水流进行了数值模拟研究。对过堰水流进行了数值模拟,采用FLUENT计算软件中的RNG k-ε模型(即重整化群k-ε模型)建立了三维水-气两相流模型,由于过堰水流水气交界面的波动较大,故选择VOF方法对水流的水气交界面进行跟踪模拟。控制方程的离散方法则采用有限体积法,并采用迎风差分格式进行空间离散。     

海湾潮流运动的三维数值模拟研究

针对平面二维数学模型在预测分层流等方面的不足,考虑到海湾岸线和海底地形的复杂性,采用非结构网格上的有限体积法建立了海湾潮流运动的三维数学模型。模型垂向采用σ坐标,动量方程求解考虑地球自转科氏力。数学模型求解采用显式差分技术,采用CFL数作为迭代计算的收敛控制条件。以深圳大鹏湾为例,采用三维数学模型计算了典型大潮、小潮条件下的水动力场。对不同潮型下的潮流流速、流向进行了验证,对湾内的潮流流场进行了分析。结果表明:三维数值计算结果和实测数据符合较好,证实了三维数学模型的可靠性。     

典型城市型湖泊风生流的数值模拟

湖流是湖泊中污染物扩散、悬浮物沉降及输移等的主要水动力学要素。造成湖水运动的成因机制很复杂，其中风生流是重要形式。通过应用无结构网格有限体积法sher格式的二维水流数值模型，对不同风情下的典型城市型湖泊——南京市玄武湖湖流流态进行模拟研究，探讨其吞吐流较小，沿岸无人流的情况下的风生流特征。     

建筑物影响下的堤坝溃决水流数值模拟方法

采用基于非结构网格的有限体积法对建筑物影响下的堤坝溃决水流进行了数值模拟.为模拟建筑物对溃决水流产生的影响,模型采用了三种方法:固壁边界法、真实地形法和加大糙率法.经物理模型验证,当建筑物顶部不过流时,三种方法均能得到较好的计算结果,其中固壁边界法和真实地形法的计算结果基本一致;而加大糙率法由于对反射波的计算不如其它两种方法灵敏,因而在城区内所得的计算水深比其它方法略低一些.     

丁坝附近湍流的数值模拟

以三维水流运动方程为水流控制方程,采用RNG κ-ε模型来处理紊动项,建立了模拟丁坝绕流的湍流模型,并对单一丁坝的湍流场进行了计算.结果表明:计算结果与水槽试验资料吻合较好,并在一定程度上反映了丁坝绕流流场和丁坝的回流长度等水力特性的变化规律.     

高水头下水库无压泄水洞的二维紊流数值模拟

对多种紊流模型的优缺点进行比较后，选择了标准的k-ε紊流模型模拟高水头下水库无压泄水洞水流，计算结果与物理模型试验结果吻合较好。在数值计算中，采用了有限体积法离散微分方程组，离散方程时采用了交错网格技术；求解离散方程时则采用了交替方向迭代技术(ADI法)，并采用了目前较为流行的SIMPLE计算程式，以保证数值计算的稳定性和精确性。为了加快收敛的速度，采用了欠松弛技术和源项线性化，对特殊的边界条件进行了处理。     

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。     

大型串联渠系冰塞-水力响应特性分析

为了定性定量描述南水北调中线工程冰塞特征与水力响应特性之间的耦合关系,采用数值模拟方法,建立了串联渠系冰塞事件-水力响应-闸门操作耦合响应模型,通过多工况对比揭示冰塞体范围、厚度和输水流量及闸门群应对方式等造成的渠系水力响应规律。研究结果表明：闸门群耦合响应下,发生冰塞事件的渠池仅影响其上游渠池的水力过程,对于发生冰塞事件的渠池,其冰塞体上游段水位壅高,下游段水位降低,而该渠池上游所有渠池水位整体降低;闸门群无响应时,冰塞可造成渠系放空风险,而PI控制器作用下的闸门群调度可明显改善渠系应对冰塞事件的水力响应,水位波动幅度随冰塞体和输水流量的增大而不断增大,在模拟工况下,闸前最大水位偏差达0.5 m,输水目标恢复时间约20 h,在冰塞体足够大时,渠系面临漫堤风险。做好渠池风险评估和优化冰塞事件应对控制器是下一步研究的重点。     

流凌条件下弯道水力特性数值模拟

采用VOF技术,利用RNG k-ε湍流模型,结合拉格朗日粒子模型,通过建立弯曲度不同的弯道,对流凌条件下弯道的水力特性进行了模拟研究.结果表明:流凌过弯后主要集中在凹岸,集聚明显;流凌的存在增大了凹岸表层水流的横向环流,在一定程度上影响凸岸底部大环流的发展;各弯道进口断面最大水面流速均大于出口;随弯曲度的增大,冰水流凹...     

水下大深度垂直发射内流场的数值研究

伴随一些新型水下武器的出现,水下大深度发射在工程应用中提出了大量的基础研究课题,如雷弹发射离开平台口时运动参数的控制、内弹道的设计等。这些问题很大程度依赖于内弹道流场计算问题的解决。为此本文采用TVD有限体积法,对雷弹水下大深度发射内流场进行了数值模拟,给出了点火后0．035s、0．2s、0．5s时,流场的波系结构、沿轴线和发射平台底部反射板的压力、温度分布曲线以及(0．005,0．05)点处压力随时间变化规律。对照实验与计算结果．两者一致良好．这些结果表明本文的方法是有效的,同时也获得了一些对发射平台内部装置设计、反射板结构强度和刚度设计极有价值的结论。     

辽东湾区域性漂移海冰的SPH数值模拟

在海冰动力过程的数值模拟中引入SPH法，采用Hibler的粘塑性海冰本构方程，并考虑海冰的热力过程，对辽东湾海域区性漂移海水进行了96h数值模拟，计算结果与海冰的实际演化过程吻合，分析表明，海冰内力对冰速、冰厚和密集度的分布有较大影响，在区域性在海冰数值模拟中应予以考虑。     

泄水建筑物体型优选的数值模拟研究

本文针对泄洪洞水流的特点，建立了适体坐标系下带自由表现、强紊动水流的数学模型。利用该模型编制程序对泄洪洞中复杂水流进行了数值模拟，通过分析输出的数据和图形，可以灵活地修改模型和体型的形状和参数，方便地进行系列数值实验或不同体型方案的比较，从而为泄水建筑物体型方案的选择和设计提供了足够精细和准确的数据，有助于数学模型逐步地取代费时耗财的物理模型实验。     

黄河上游水库群防凌优化调度研究

本文针对黄河上游凌汛期河道水量调节特点和龙羊峡、刘家峡水库防凌运行方式,分析了影响刘家峡水库防凌运用的主要因素,研究了刘家峡水库防凌库容与梯级出力的关系,借鉴逐步优化思想,提出了优化刘家峡水库防凌库容的方法,并建立了模拟优化模型,最后用实际资料对模型进行了检验。