宁夏吴忠金积工业园区冬季供水一维结冰问题数值模拟

利用QUICK格式对一维水力热力数学模型中的对流项进行离散,通过模拟结冰点的位置和比较不同温度、水深、风力条件下对结冰点位置的影响,主要改进了冰盖厚度发展模型.利用该模型对冰盖厚度的发展进行了模拟,通过与经验公式及实测结果进行比较,表明改进后的冰盖厚度发展模型是可靠的,可以用于金积引水渠的冰盖厚度模拟.     

冰盖生长和消融的实验研究与数值模拟

为研究冰盖生长和消融的规律,在实验室内设计了水体结冰实验.通过实验得到冰盖厚度、水温和冰内温度随时间的变化过程.根据对水体结冰和融化物理过程的分析,建立水温与冰盖生长、消融相互作用的耦合模型.采用耦合模型来模拟水体结冰和融化过程,通过对模拟结果与实测结果的对比,发现冰厚和水温的计算值与实测值基本吻合.此结果为研究高海拔、高纬度地区封冻水库的结冰机制及冰盖下的水温时空分布提供重要理论基础.     

CE-QUAL-W2在输水明渠冰盖计算上的应用

以宁夏吴忠地区金积供水工程输水明渠为例,验证了垂向二维模型CE-QUAL-W2模拟输水明渠冰盖生消的可行性。在此基础上,构建了南水北调京石段输水明渠冰盖模型,模拟了典型气温过程中冰盖在不同输水流量及入流温度条件下的发展过程,模拟结果表明以上因素对冰情的发展有不同程度的影响。     

小型调节水库冬季水温分析研究

远距离引水工程中，一般在线路上要设计一些小型调节水库，当水库地处内陆深处时，冬季气候寒冷，库水结冰将影响引水工程系统的正常工作。本针对引黄入晋工程中的申同嘴水库，对水库水温变化情况进行了计算分析，得出维护冬季水库引水安全的主要措施为：①尽量保持水库高水位；②若万家寨水利枢纽取水口处水温低于1．5℃，可采取加大水体流量的方法防止结冰。     

寒冷地区电站长距离输水明渠冬季运行方式探讨

通过大量工程资料收集和类似工程经验分析,对寒冷地区引水式水电站长距离输水明渠在冬季各种输、排冰运行方式的适用性进行了对比分析,着重对结冰盖运行方式的建筑物布置、流量控制和水位控制等进行深入分析和研究,提出了完整的分段壅水结冰盖输水方式的输水渠道建筑物布置、水位运行控制的设计和运行控制方法,消除了寒冷地区电站输水长明渠冬季运行中的冰冻危害问题,并成功运用于实际工程设计和运行。     

长距离输水工程的冰期冰盖数值模拟研究

以冰力学的模型为研究课题,通过数值模拟的方法研究南水北调过程中的引水工程,探究如何提高冬季冰期引水的安全性和效率、效益。选取了冰盖稳定性试验过程中模型参数,对模型的网格进行合理划分,通过fluent数值模拟方法研究了不同冰厚时的冰盖等效应力情况。     

基于ANSYS的引水工程冰期冰盖数值模拟研究

本文以冰力学的模型为研究课题,通过数值模拟的方法研究长距离引水工程,探究如何提高冬季冰期引水的安全性和效率、效益。选取了冰盖稳定性试验过程中模型参数,对模型的网格进行合理的划分,通过fluent数值模拟的方法研究了不同冰厚时的冰盖等效应力情况。     

南水北调中线工程冬季输水冰情的数值模拟

南水北调中线工程总干渠是由明渠和各种过水建筑物组成的树状系统,特点是线路长、过水建筑物类型多、冰水动力学响应过程复杂。本文将冰情发展模型与树状明渠系统复杂内边界条件下的渠道非恒定流模型进行集成耦合,开发了大型长距离调水工程冬季输水冰情数值模拟平台,提出了树状明渠系统复杂内边界条件的等效变换方法和计算冰盖前缘动态发展的虚拟流动法。根据实测的沿线气象资料和设计资料,利用该平台系统模拟了在寒冷气温条件下总干渠初冰、冰盖形成、发展和消融过程。分析了冬季输水的冰情特性及冰期输水能力,提出了冰期安全运行的水力控制条件,通过对典型年总干渠敞流期、冰盖形成期、稳封期、调度期以及开河全过程的模拟,给出了安全运行输水调度方案及建议。     

调水工程中小型水库的冬季水温分析--申同嘴水库水体结冰及温度计算

当调水工程地处内陆深处时 ,由于冬季寒冷 ,其中小型调节水库的水体可能会结冰。本文根据库水水温的时、空分布方程 ,对申同嘴水库进行了结冰及水温分析研究 ,计算了库水的整体结冰时间和水体出库温度。结果表明 :1库水结冰时间决定于水库的水位和初始水温 ;2对出库水温起主要影响的是入库水体的流量 ;3入库水温低于 2 .0℃ ,流量低于 12 .90 m3/s的运行状况存在库水结冰的危险性     

大柳树水利枢纽对宁蒙河段防凌影响数值模拟

黄河宁蒙河段凌汛期封河自下而上,开河自上而下,容易形成冰塞壅水,导致冰凌灾害。采用一维、二维水温数学模型模拟计算了冬季三种不同气象条件下拟建大柳树水库运用后下游宁蒙河段沿程水温分布及结冰点的位置。由计算结果可知:在正常气温、热型气温、寒冷气温条件下,初始结冰点的位置分别距离大柳树水库坝址320.4、331.6、276.5 km。预计大柳树水库建成后,宁夏河段将成为不封冻河段,青铜峡水库库尾冰塞现象不再出现,石嘴山至乌海段冰塞问题基本缓解。零温断面位置将下移到石嘴山至磴口之间,距大柳树水库坝址约320 km。     

南水北调中线总干渠冰情预测模型参数敏感性分析及率定

南水北调中线工程黄河以北总干渠冬季由于受气温的影响,将有不同程度的冰情产生,总干渠将处于无冰、流冰、冰盖下输水等多种复杂运行状态,运行不当则可能发生冰塞、冰坝危害。为了更准确地预测冰情,文章利用详细热量交换法对不同条件下渠道内一维冰盖生消进行数值模拟,根据2012年冬季的冰清观测结果以均方根差最小的原则率定模型参数。随后通过改变反射系数α、云量C、虚拟冰盖厚度Δh、风速Va、折减系数Cc及Ce、初始水温等分析冰盖厚度对于模型参数的敏感性。仿真结果显示,模型参数中反射系数α、虚拟冰盖厚度Δh这两个参数对冰盖厚度影响较大,气温数据中云量C对冰厚结果影响较大,且在高云量区域敏感性为极敏感,这些规律可以为寒区渠道系统冰情预测模型的开发及率定提供参考。     

引水流量对引水渠道中水内冰演变影响的数值模拟

水电站引水渠道中的冰害会影响水电站的安全运行,危害当地人民的人身安全。为开展引水渠道中水内冰演变的研究,建立了三维非稳态欧拉两相流模型,动量方程考虑了相间曳力、升力、虚拟质量力,热量传递方程中考虑了冰水之间的热量传递以及太阳辐射、有效辐射、蒸发热损失、水面对流热损失等。模拟分析了不同引水流量下温度及冰体积分数的沿程分布,结果表明：冰温沿程逐渐升高;水温沿程先降低后升高、沿程出现最低点。冰体积分数沿程存在突变点,且突变点在水温最低点附近。随着引水流量减小,产冰起始位置向渠道上游移动,但最终的产冰量和冰体积分数逐渐减小。通过与黄河上游河道中水内冰演变计算结果对比,验证了模型的可靠性。     

融冰期加厚冰盖糙率物理模型试验研究

流凌期输水能力可能成为制约输水工程冰期输水能力的瓶颈,而流凌期允许冰凌下潜,采用加厚冰盖下输水方式运行可以有效提高工程输水能力。加厚冰盖糙率的合理选择直接影响加厚冰盖形成后渠道水位和过流能力计算的正确性,但是加厚冰盖的糙率受到多种因素的影响,见刊的实测资料中,其糙率分布范围很宽。现以冻结模型冰为试验材料,以南水北调中线工程总干渠为原型,通过物理模型试验研究得到:输水渠道融冰期加厚冰盖形成初期糙率约为0.029,以供南水北调中线工程冰期输水调度和冰害防治提供参考。试验研究同时表明:水力加厚冰盖底面的最大水流弗劳德数取值0.09是合适的;力学加厚冰盖前缘都是水力加厚类型的,其长度大约与水面宽度相近;力学加厚冰盖形成和发展的过程是这样的一个循环:前缘发展→推挤增厚→前缘发展。     

加厚冰盖渗流对渠道输水能力的影响

输水渠道冰期输水能力日益成为工程运行管理、学者研究关注的焦点。输水能力的研究不能仅仅局限在正常输水期(明流期和封冻期),还应该考虑非常工况下工程的输水能力,比如流凌期的输水能力。普遍认为流凌期输水能力将可能成为束缚冰期输水能力的瓶颈。为提高流凌期输水能力,可以采用加厚冰盖下的输水方式运行。通过理论分析和物理模型试验相结合的方法,针对加厚冰盖渗流对输水工程冰期输水能力的影响进行了研究,结果表明:由于结冰期加厚冰盖孔隙率较大,其渗透系数大于融冰期加厚冰盖;冰凌形状系数t/L对加厚冰盖渗透系数影响较小;随着冰厚的增加,加厚冰盖渗透系数逐渐减小,尤其当冰厚小于0.1m时,渗透系数衰减迅速;随着渠道总流量的增加,加厚冰盖渗流量相应增大,但是渗流量在总流量中的比重却随总流量的增大而减小;加厚冰盖渗流在渠道输水流量中所占比重很小,一般情况下,对输水渠道冰期输水能力的影响可以忽略不计。     

考虑冰盖生消和冰-结构-冻土协同作用的渠道弹性地基梁模型

冰-冻破坏是寒区冬季输水渠道结构破坏的主要原因,而目前尚缺乏准确的分析方法和评价准则。本文从冰盖生消过程中结冰初期、流冰期和封冻期3个阶段衬砌结构冰冻破坏机理出发,考虑在冰-结构-冻土协同作用下,基于弹性地基梁Winkler理论推导了衬砌结构的挠曲线微分方程,分别建立了3个阶段衬砌结构的冰冻破坏力学模型,并结合相应荷载组合和边界条件对模型求解获得了衬砌结构的挠度、内力和应力的解析表达。应用该模型对南水北调京石段某输水渠道进行冰冻破坏分析计算,结果表明:结冰初期、流冰期和封冻期3个阶段衬砌结构的法向冻胀位移最大值分别为10.62、13.89和5.05 cm,对应3个阶段衬砌结构的截面最大拉应力分别为3.63、 4.11和2.05 MPa,且破坏位置均在冻结区坡板的中下部,与现场监测渠道冰冻破坏分布规律吻合。据此,建议寒区冬季输水渠道控制运用中应尽量缩短结冰初期、流冰期时间,延长第3阶段稳定封冻期时间,同时应合理控制地下水位和冰盖厚度。研究结果可为寒区冬季输水渠道抗冰冻设计提供理论依据和分析方法。     

水塘静水冰生消原型研究与数值模拟

为研究静水冰生长消融规律,2014年11月中旬至2015年3月中旬在内蒙古托克托县南湖水塘进行不同时段、不同水深静水冰生消的原型试验,通过试验观测得到冰盖厚度、水温和冰温随时间及气温变化过程。根据对水塘静水水体结冰和融化物理过程的分析,建立水温及冰盖生长、消融相互作用的耦合模型。结果表明:气温是静水冰盖生消的主要影响因素;在冰盖演变过程中,水深对其影响较小,仅对结冰后期冰厚及冰盖完全消融时间有所影响;表层水温受气温影响明显,深层水温受影响较小;冰面温度与气温变化同步。基于已有的数学模型,加入野外观测边界条件及气-冰-水三态热交换公式,模拟水温及冰盖生长和消融过程,发现冰厚和水温的计算值与实测值基本吻合,差值在波动允许范围内,此结果深化了对静态水域冰盖生效机理的认识。     

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.     

明渠冰情预报的数学模型

本文根据寒冷地区输水渠道的冰情建立了冰情预报数学模型，这个模型由一维非恒定流水力学模型和一维热力学模型组成，可以预测渠道的水流特性，水温沿程分布，冰花流量，冰盖形成，冰盖下冰花的传输和堆积，冰盖的热力学增厚和融化，为保证渠道正常运行提供依据。     

河北省冰期调水水文特性分析

在北方冬季跨流域调水中,水流在年底至次年初发生结冰现象。输水河道在此期间,经过岸冰、冰花、溜冰、冰盖等冰情,造成河道输水水位抬升,流量变小,输水能力减低,且水位流量关系复杂。调水河道在冰寒加剧和高水位运行下,个别河段甚至出现冰塞、冰坝等冰灾现象,直接威胁到河道堤防安全,增加了输水管理的难度。研究分析冰期水流变化规律,对冰期输水监测及调度管理具有重要意义。