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。     

自由液面水流与固体构筑物作用的高精度数值模拟

采用界面保持水平集法捕捉自由液面,结合浸入边界法处理固液交界面的方式,开展自由液面水流经过固定障碍物的复杂流场模拟.在计算过程中,将障碍物对水流的影响用虚拟力的形式加入到流场求解中.求解水平集函数时,使用迎风紧致差分格式,以得到高精度的解.为了确保界面始终处于一个非常薄的厚度,在每个计算步长中对水平集函数进行重距离化处理,利用投影法求解Navier-Stokes方程中的压力项.通过将模型应用于计算带障碍物的典型溃坝问题,包括底床上的矩形和工程中常见的悬空支撑圆形障碍物,得到的数值结果与实验数据吻合较好,验证了该算法的准确性和稳定性.     

深层隧道排水系统中井隧水力学特性研究

深层隧道排水系统（深隧）是布置于深层地下的大型排水工程,一般由调蓄隧道、入流竖井、通风设施（排气井）及排水泵站组成,具有调蓄雨洪及控制溢流污染的作用。其中调蓄隧道为避开地铁等城市地下工程往往布置于距离地面30～60 m深处,入流竖井连接地表浅层管网和深层隧道。深隧系统竖井内部的水力学特性复杂,具有单宽流量大、落差高及大量掺气等特点,处理不当将造成较大的破坏。而极端降雨期间,由于未能充分排气而产生的间歇喷涌,也会对设施造成损害。本研究采用物理模型试验和水-气两相流数学模型CLSVOF（CouplingLevel Set and Volume Of Fluid）,研究了不同结构竖井（旋流式竖井和螺旋阶梯式竖井）水力学特性和调蓄隧道中的间歇喷涌问题。根据施工条件设计的两种竖井方案的消能率接近,旋流竖井存在负压及较大震动、排气不畅,而螺旋阶梯式竖井流速较低且流态稳定。在对调蓄隧道中“间歇喷涌”的数值模拟研究中,排气井管径对间歇喷涌的影响十分显著,模拟情景中最剧烈的喷涌会产生5.35倍初始状态下的测压管水头和38.2 m/s的喷涌速度。