国外有冰盖的河道水力学问题研究综述

在天然河流和输水渠道中,冰盖糙率造成的水头损失很早就引起了人们的关注.近年来,国外一些国家对此类问题进行了研究,并取得了一些成果.冰盖底面的轮廊形状对冰盖的糙率系数和河渠的综合糙率有很大影响,从而也影响了过水能力.本文根据国外这方面的研究资料,给出了国外对冰盖底面波纹的观测成果,分不同情况列举出了求解冰盖和渠底糙率的几种计算公式及与河渠过水能力的关系.也就是说,冰盖的糙率可以由野外量测水流流速分布的方法求得,河渠的综合糙率可按本文中给出的计算式求得.     

冰盖下桥墩局部冲刷深度预测

利用实验室清水条件下桥墩局部冲刷的试验数据,采用支持向量机（suppcrt vector machine,SVM）和BP(back propagation)神经网络的方法,基于量纲分析原理,对影响桥墩局部冲刷产生的相关因子进行分析。将试验数据的3/4作为预测模型的训练数据集、1/4作为预测模型的测试数据集。模型的输入因子有水流弗劳德数Fr、水深与墩径之比h/D、床沙中值粒径与墩径之比d50/D、冰盖下表面糙率与床面糙率之比ni/nb,输出因子为冲刷坑深度ds。采用相关系数（r）、均方根误差（δRMSE）、平均绝对百分比误差（δMAPE）、确定系数（R2）作为预测结果的评价指标,并将预测结果与试验结果做了比较。BP神经网络模型和SVM模型在预测明流条件下桥墩局部冲刷坑深度时,预测结果的r分别为0.89和0.88、MAPE分别为38.8%和31%;在预测冰盖条件下冲刷坑深度时,预测结果的r分别为0.78和0.73、MAPE分别为43%和46%。结果表明BP神经网络和SVM模型预测明流及冰盖条件下桥墩局部冲刷坑深度时具有较高的精度。     

河渠恒定非均匀流准二维模型

以Reynolds平均的Navier-Stokes紊流方程为基础,提出了河渠恒定非均匀流的水深平均流速横向分布的准二维模型,该模型包括了河渠流动的一些关键三维紊流因素。研究了用数值有限差分将它转换为一组三对角线性方程并用追赶法求解,然后,研究了用该模型推算水面线的迭代计算,最后以实测数据检验了所提模型的准确性,结果表明计算流量与实测流量的偏差相对值小于4%,而计算水深与实测水深偏差相对值小于1%。     

关于冰盖流研究应用Einstein假定的探讨

以二维紊流为例,从理论上对冰盖流研究中应用Einstein假定进行了分析,认为:①冰盖流的水流并不能简单分区;②若假定冰盖区和床面区的能坡相等,则水力半径分割法在宽浅河流上应用时将导致谬误;③若假定冰盖区、床面区及过流断面的平均流速相等,则会推导出冰盖糙率和床面糙率相等的谬论.因此,在冰盖流研究中应用Einstein假定值得商榷.     

紊流模型中壁函数关系的改进

应用紊流模型计算有壁紊流流动时,普遍采用壁函数处理固壁边界。对数律壁函数,是目前紊流模型中应用最广泛的一种壁函数关系。但对复杂的流动情况并不适用。本文根据窦国仁紊流随机理论在明渠流及边界层流动中的应用结果,提出了两种壁函数关系,即精细壁函数及其简化形式解析式壁函数。计算表明,所提出的壁函数关系是成功的。通过改进壁函数,可以改善计算结果。     

壅水情况下非均匀流糙率系数研究

非均匀流的水力特性不同于均匀流,水力特性的变化有可能引起糙率的变化。本文采用数值模拟的方法,运用立面二维数学模型对壅水情况下的明渠非均匀流进行模拟,研究非均匀流情况下水力特性和糙率系数的关系。研究表明:壅水情况下,非均匀流能量损失沿程减小,但糙率系数却是沿程增大的。非均匀流中能量损失及糙率系数之间的这种关系是不同于均匀流的,这是非均匀流不同于均匀流的特点之一。根据数值计算结果,拟合得到了较为实用的壅水情况下明渠非均匀流糙率的计算式。将该式用于水库回水水面线计算得到的结果与采用均匀流糙率的计算结果差别较明显,说明采用非均匀流糙率进行水库回水水面线计算是必要的。     

一种新的紊流模型—k-ε-S模型

本文提出了一种新的紊流模型,即k-ε-S(turbulent kinetic energy-dissipation-Stochastic theory)模型。该模型采用窦国仁的紊流随机模型,其涡粘性系数为二阶张量,从而克服了k-ε-E(turbulent kinetic energy-dissi-pation-Eddy viscosity)模型中Boussinesq各向同性涡粘性系数假设的缺陷。可以证明,k-ε-E模型可看成是k-ε-S模型的特殊情况。提出了适用于k-ε-S模型及应用范围较广泛的壁函数关系。通过对宽明渠均匀流和方腔流的计算表明,提出的k-ε-S模型是成功的,且优于k-ε-E模型。     

平面闸槽区紊流场的数值解

本文采用有限分析法,k-ε紊流模型求解雷诺方程,计算了雷诺数为10~4及2×10~4两种情况下平面闸槽区的平均紊流场,给出了流函数、速度、涡量、紊流动能、紊流粘性系数以及压强的分布,为预测闸槽区的初生空化数提供了依据。     

混凝土衬砌渠道糙率系数估算方法

糙率系数的准确选取对工程造价和安全有很大影响,随着新材料、新工艺的发展和工程技术的进步,原有的经验糙率选择已经不能满足精度要求。输水渠道流态一般位于紊流过渡区和粗糙区,本文用紊流过渡区和粗糙区沿程阻力系数推导出与雷诺数、水力半径和当量粗糙度有关的糙率系数估算式,并对影响糙率系数的因素进行分析,为糙率的正确估算和合理选取提供了一定的依据。     

粗糙床面明渠水力特性研究

粗糙床面非均匀流的水槽试验表明，非均匀流断面的垂线流速分布需用两个对数公式分别描述；粗糙床面的流速分布较光滑床面不均匀；非均匀流的紊流度分布随相对水深的增大而趋于均匀；粗糙床面非均匀流糙率系数的变化规律与光滑床面近似。