冲积河流分级恒定水沙数学模型的适用性研究

天然河流的来流过程往往是非恒定的,特别是在洪水季节.在工程实践中为了简化计算,通常将非恒定来流过程概化为梯级形式的恒定流求解,相应的模型被称为分级恒定流模型.然而,分级恒定流模型与非恒定流模型之间的差异并不十分清楚.通过概化的长江中游长河段的数值算例来研究比较两种模型之间的差异,采用有限体积法中的SLC数值格式来求解非恒定流模型中的控制方程组,对于分级恒定流模型中的常微分方程组则采用有限差分法求解.研究结果表明,随着计算历时的增加,两种模型计算结果之间的差异逐渐变大.在模拟50年的冲淤变化时,分级恒定流模型与非恒定流模型计算总河段的冲淤量的相对差异为2.1%.随着河段距离的增加,两种模型计算河段的冲淤量相差越来越大.一般来说,分级恒定流模型可适用于短历时、短河段的情形;对于长历时、长河段水沙运动过程的模拟,推荐使用非恒定流模型.     

丁坝布设对弯道水沙运动的影响

弯道水沙的螺旋流运动特征是导致河流滩岸崩塌以及河道向弯曲形态演化的主要因素.从弯道水流的运动机理出发,运用数值计算手段对概化弯道流场进行模拟.通过计算,分析了不同弯道丁坝布设角度的水流运动特征,提出了较优的弯道丁坝的布设方式.     

考虑粘性泥沙运动的黄河口二维水沙输移数学模型

为研究黄河口的水沙输移规律,采用基于无结构三角网格下的有限体积法建立了平面二维水沙数学模型.模型中分别采用不同方法处理粘性和非粘性沙的输移源项,并引入经验证的粘性沙输移源项改进公式.采用已有的概化水槽冲淤试验资料对模型进行了验证,然后应用于1982年6月至1983年5月期间黄河口水沙输移的数值模拟,计算得到的潮位过程及冲淤量与实测资料符合较好,结果表明模型能够较好地模拟考虑粘性沙运动的黄河口非均匀沙不平衡输移.最后比较了不同泥沙输移源项处理方式对模拟结果的影响,计算表明在黄河口水沙输移数值模拟中需要采用非均匀沙模型并同时考虑粘性和非粘性泥沙的输移.     

河道主流摆动与切滩演变初步研究

用主流与深泓相互作用关系描述河流撇弯切滩现象,分析了河流切滩演变的条件和原因,并以室内概化试验进行了验证探讨,从而对引起河道主流摆动进而产生切滩的水沙条件和地形条件有了较为明确的认识。     

沙波运动与推移质输沙率

基于沙波运动,通过理论分析水沙运动的动力学因素,合理概化水沙运动模式,综合分析水流运动过程中所受到的力,利用沙波迎流面水体的动量方程,从理论上研究沙波波高随水流运动变化的数学表达,并将其与推移质输沙率联系起来,建立一个推移质输沙率与相对水流强度的数学关系式.计算分析表明,公式所能描述的规律与室内外资料相符,能较好地反映推移质输沙率与相对水流强度间的正向变化的全过程,具有理论和实用价值.     

FORTRAN语言实现河流数值模拟的初步可视化

详细介绍了用FORTRAN语言实现水沙数学模型水位流量动态显示的方法.基于FORTRANQUICK WIN运行环境,在数据运算处理庞大的一维非恒定水沙数学模型中,加入QUICKWIN绘图语句,利用其绘图功能,实现了在程序运行过程中各关键参数如水位、流量的变化过程的动态显示,从某种程度上达到虚拟现实的效果,为水沙数学模型的可视化奠定基础.     

平面二维河床粗化层的数值模拟

基于三角形网格划分 ,应用破开算子原理 ,建立了平面二维非均匀沙水流泥沙数学模型 ,并使用了平面二维非均匀沙水流挟沙力公式 .着重对河床冲刷过程中悬移质含沙量、河床变形和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粗化层的形成过程 .数值实验表明 ,该方法边界符合良好 ,计算量小 ,能准确地模拟出河床冲刷过程中水沙的变化规律     

河道一维非恒定流数值模拟深化研究

传统的河道一维非恒定流数值计算一般采用特征线法和以Preissmann方法为代表的有限差分法.特征线法计算精度比较高,但受时间步长的限制,用于河道一维非恒定流计算时计算效率却不太高.而Preissmann方法相比特征线法计算效率有所提高,但在求解过程中特征量的守恒性却没有做出相应要求.为了兼顾数值计算的效率和特征量的守恒,建立了基于有限体积法的河道一维非恒定流数值计算方法,并分别选取淮河干流洪水和史灌河洪水进行了验证计算,验证计算成果表明所采用的方法特征量守恒性较好,洪峰水位计算值与实测值吻合也较好,可用于河道一维非恒定流计算.     

建桥对河流水动力影响的数值计算分析研究

以水沙计算机仿真数学模型为手段,对河流上修建大桥后的水沙运动进行了数值计算和分析.通过比较有无大桥和不同水沙方案下附近河段的水位和河床冲淤变形等物理量,得出了桥前壅水最大高度约0.2m,桥前壅水影响范围为1500m,桥位附近河段河床冲刷地形和最深点的高程为16.77m,计算结果与物理模型试验对比符合.     

基于先验信息的河流糙率广义反演方法

在河流糙率反演过程中,由于水文观测信息比较稀缺,一般都是欠定或混定模型,容易由于观测噪声造成反演计算不稳定或反演结果偏离实践经验较大的问题.针对该问题,以糙率估计值作为正则化条件,构造了一个兼顾水文观测信息和糙率经验信息的反演模型,用来改善反演结果合理性、提高数值计算稳定性.应用河网数值仿真和实例分析了模型的数值稳定性、解的唯一性和结果可靠性等特征.结果表明:基于先验信息的河流糙率广义反演方法,能够有效地进行河流糙率的率定,较好地解决了信息量不足所引起的数值稳定性问题,且率定结果接近真实解.     

山区河道溃坝水流数值模拟

为了研究溃坝水流在山区河道中的传播,采用SPH方法来求解2维浅水方程,建立了溃坝水流数值模型.SPH方法由于是拉格朗日法,在处理对流主导的问题具有很好的稳定性与精度,且是无网格方法,无需划分网格和判定干湿网格,很好地解决了山区河道溃坝水流流速急,水位变幅大,动边界变化频繁,计算区域难确定等问题.采用该模型模拟了山区河道的溃坝水流,初步再现了溃坝水流的流动过程,分析表明模拟结果是合理的,因而采用SPH方法对溃坝水流进行模拟是可行的.     

2维水动力模型中入流边界优化处理方法

在极端暴雨事件频率和强度不断加剧的趋势下,防洪安全面临着极其严峻的考验,研究河道洪水演进、漫溢及淹没过程,有效评估洪水灾害风险就显得尤为重要。为精确模拟河道洪水演进过程,本文采用基于非结构网格有限体积法建立的二维水动力模型,构建了一种基于虚拟单元法的入流边界改进方法。该方法采用基于地形网格数据的纵断面提取法以近似确定深泓线的位置,从而计算出河道平均纵比降;在入流边界各网格上以均匀流的方式入流,计算出不同流量下的对应水位;依据各网格上的水深和入流边长计算权重以合理地分配流量,再结合单宽流量边界条件确定边界外侧虚拟单元上的水力要素,最后耦合至模型通量部分进行计算,实现入流模块的优化。将该方法应用于Toce河物理模型试验的模拟,在入流边界附近计算出的水位、流速和流态都更为合理;河道中各测点水位与试验数据吻合度较高,洪水到达测点时间及各点间洪水运动传播时间与测量值较为接近,纳什效率系数在0.82~0.95之间,验证了该方法的可行性和模型的准确性;并且在单机上用时86s完成计算,效率较高,表明模型能高效准确的模拟洪水演进过程。通过对入流模块的改进优化,模型可以更好地应用于洪水演进过程的模拟预警及灾情评估工作,为洪水灾害管理决策提供技术支撑。     

电子膨胀阀射流噪声数值模拟

应用Realizable k-ε湍流模型和Mixture两相流模型,对电子膨胀阀小开度下的二维流场进行了数值模拟,根据计算结果,使用宽频噪声计算方法得到了膨胀阀内流体噪声分布。对电子膨胀阀的改进模型进行了数值模拟,并对流体的速度场及其噪声辐射结果进行了分析,结果表明,阀口长度加长和阀口改为喇叭口结构可以减小射流噪声。     

雨水管网管段流量调节池优化设计

雨水资源化是我国建立两型社会、缓解我国缺水现状所值得研究的一个重要方向,而在雨水管网中建立管段流量调节池是解决雨水利用、降低雨水管网造价必须解决的一个首要问题.通过对暴雨强度公式进行时程分配,并通过对地表产流、汇流以及雨水管网汇流的模拟演算,分析了雨水管网的流量过程,建立了雨水管网的流量过程线,并据此建立了雨水管网管段流量调节池的容积计算方法与优化思路,最终以雨水管网系统总造价为目标函数,对管段流量调节池的设置位置及容积计算进行了优化分析,给出了雨水管网管段流量调节池容积优化的计算过程与方法,并通过实例工程对其进行了验证,结果表明采用此方法设置管段流量调节池,经济效果明显.     

李家沙特大桥防洪评价数值模拟分析

根据相关法律法规,涉河建筑物需开展防洪影响评价工作,水文分析计算为防洪评价工作的主要内容。目前,一、二维水动力数学模型联合运用在防洪评价数值模拟计算中较为常用。以李家沙特大桥为例,阐述了防洪评价模拟计算中一、二维水动力数学模型的应用情况。     

明渠干支河流直角交汇区整流方法探讨

由于便利的水运条件,有相当一部分重要的城市和乡镇位于河流交汇处,但由于交汇水流结构的复杂性,在交汇区常形成冲击河岸和泥沙淤积等一系列问题,因而对交汇区水流进行有效地整治是非常必要的。本文利用数值模拟试验,对入汇角为90°的河流交汇处产生的分离区水流特征进行了研究,并在此基础上提出了一种可以减小或消除分离区的优化堤线的整流方案,即优化后的堤线满足椭圆方程,椭圆长半轴长度为分离区长度,短半轴为分离区宽度,以改善交汇区的泥沙淤堵及水位抬高等灾害问题。通过对不同干支流动量比堤线整流效果对比分析,结果表明：当动量比M*=0.40时得出的椭圆型堤线为最佳整流方案。     

基于综合单位线法的河道设计洪水参数推算

以深圳市观澜河支流白花河为研究对象,开展基于综合单位线法的设计洪水推算及参数选取研究.通过比较综合单位线法和推理公式法推算的各断面洪峰流量计算结果,说明综合单位线法的洪水计算成果偏于防洪安全.实例研究表明综合单位线法适合于类似地区的洪水计算.     

河道水流三维流速场的数值模拟研究

为了寻求一种先进的数值模拟方法来研究河段水流的流场特性,采用VOF紊流数学模型对大渡河安顺场堤防工程兴建河段建堤前后的水流流速场进行了三维数值模拟研究,模拟计算了该河段堤防兴建前后流速场内流速大小、方向、水位等的变化情况。计算表明,VOF紊流数学模型是一种处理复杂自由表面的有效方法。该法不仅具有稳定性好,灵活性强和精度高的优点,而且网格划分灵活,因此能较好地模拟不规则河道边界,很适合于天然河道三维水流流速场问题的数值模拟研究。     

大柳树水利枢纽对宁蒙河段的防凌作用研究

通过龙羊峡、刘家峡水库对宁蒙河段防凌作用的统计分析,指出了龙、刘水库防凌的作用在于调控凌汛期流量和出库水温,可使冰情减轻、内蒙古河段开河期冰坝减少;同时通过冰坝形成的数据统计指出封河期冰塞,开、封河期凌灾严重加剧的问题．根据大柳树水库的容量、调温、泄流特点,预测了宁蒙河段凌情变化,分析了大柳树水利枢纽防凌运用方式的有效性,运用流量计算方法分析了南水北调与大柳树水利枢纽防凌运用控泄流量的关系;根据计算分析成果推断了大柳树水利枢纽对宁蒙河段的防凌作用,并与龙羊峡、刘家峡水库对宁蒙河段的防凌作用做了比较,指出了大柳树水利枢纽防凌作用不可替代的地位和防凌优势．     

基于雅鲁藏布江辫状河流的洪峰流量输沙变异数值模拟

该研究根据雅江中游辫状河流平面形态建立输沙地形,构建了可用于辫状河流输沙模拟的数学模型。数值计算采用二维水动力学和非粘性泥沙耦合模型对辫状河流中泥沙输运规律进行模拟研究,模型基于不可压缩雷诺平均N-S方程,模型中包括连续方程、动量方程、河床面变形方程、全沙输沙方程。该数学模型通过全沙输移理论计算悬移质和推移质输沙率。当模拟洪峰流量时,辫状河流出口含沙过程和悬移质输沙过程峰值滞后于入流过程,形成相位差,泥沙粒径越小,相位差越小,0.01mm和0.02mm泥沙相位差接近0,出口悬移质输沙率产生的相位差小于含沙量;0.3mm、0.2mm和0.1mm泥沙在辫状河流中淤积的淤积量超过50%。在计算泥沙输移的同时,考虑泥沙的启动、沉降淤积作用导致的地形更新,进而求解挟沙水流在辫状河流当中运动时对地形变化的影响,为天然辫状河流的研究预测建立一定的数值模拟基础。