复杂边界下三维水流数学模型的建立和验证

本文从底层开发了三维水流数学模型。模型使用平面正交坐标和立面为a坐标来拟合河道平面形态、地形和自由水面的不规则分布。计算中采用同位网格布设方式和动量插值方法来避免棋盘压力分布。采用有限体积法（FVM）离散紊流方程,方程的对流项采用修正QUICK格式离散。采用SIMPLEC算法求解流速场和动水压力场。通过对弯道和深槽水流输运的验证表明计算结果和实测值吻合良好,模型能够用于复杂边界条件下水流输运数值计算。     

考虑植被作用下的二维溃坝水沙耦合数学模型

基于有限体积法和非结构三角形网格,耦合二维浅水控制方程、泥沙输移方程、河床变形方程建立平面二维溃坝波数学模型。水动力和连续方程均采用浑水方程,考虑了植被对水流、泥沙输移及床面冲淤变化的影响。水动力模型应用二阶精度的Roe格式近似Riemann解计算网格界面的通量,能够精确模拟干湿界面的动边界问题,将静水压力项和植物拖曳力项作为源项反映在动量方程中。应用模型对4个算例进行模拟,并结合实测资料对数值模拟结果进行了验证分析。计算结果表明:本文建立的平面二维溃坝水动力、泥沙耦合数学模型能够准确模拟复杂计算域的溃坝水流演进及床面变形问题。通过对有植被算例的模拟分析发现,滩地种植植物能减少植被区的流速和溃坝波对下游河床的冲刷,但同时也会降低有植被区河道的泄洪能力,导致洪水在上游区水位提升。     

堆积体对近床面水流紊动强度试验研究

采用声学多普勒流速仪ADV对概化水槽中受堆积体影响河道的流速进行了精细的测量,并将数据代入无量纲化的紊动强度计算公式来分析流量、河道缩窄率、堆积体侧向坡度对河道近床面紊动强度分布的影响。试验结果表明：以堆积体对称轴断面为起点,在下游相对距离0 ~ 1.5断面处,由于堆积体对水流的束窄和突扩作用导致出现水跃,紊动强度波动较大形成强紊动区,且随阻流作用的增加而增加;在相对距离1.5 ~ 4.5断面,由于水流持续扩散导致紊动强度衰减,但左岸受回流影响紊动强度衰减较缓,因此左岸变化率小于右岸,且变化率随阻流作用的增加而增加;在相对距离4.5 ~ 6.5断面,紊动强度逐渐恢复平稳状态且大于相对距离-4.5 ~ 0断面。试验结论揭示了河道中的水流紊动特性及堆积体对河道水流紊动影响的内在机理,加深了对堆积体作用下的水流运动、泥沙冲淤和输移规律及河床演变发展变化的认识,可为研究山区河流受堆积体影响的河道水流紊动特性的数值模拟提供验证资料。     

考虑弯道环流影响的平面二维水沙数学模型(Ⅰ)——模型的建立

弯道环流是影响河道断面流速、含沙量分布及河床冲淤的重要影响因素.一般的二维水流数学模型没有考虑弯道环流对断面流速及横向输沙的影响,本文在深度平均的平面二维k-ε紊流数学模型中加入反映弯道引起的二次流及横向输沙附加项,对平面二维水流运动方程和悬移质不平衡输沙方程进行扩展,使之能更准确地模拟出弯道处流速及含沙量的断面分布情况.     

基于非结构网格的溃坝水流干湿变化过程数值模拟

本文采用非结构网格的有限体积法对具有复杂地形的溃坝水流进行了数值模拟。利用Roe格式的近似Riemann解来计算界面通量,对底坡源项进行特征分解和迎风处理以保证格式的和谐性,对摩阻项采用了半隐式离散的方法来增加计算的稳定性,采用了一种稳定有效的动边界处理方法来模拟干湿边界的变化。最后通过两个算例对本文的模型进行了验证,结果表明该模型具有较好的稳定性和可靠性,能够较好的模拟具有复杂地形的溃坝水流演进过程。     

溢洪道弯道水流影响因素研究

弯道水流受惯性离心力作用产生水面倾斜和扭曲,导致水面超高、凹岸冲刷和凸岸淤积等问题。本文采用RNG k-ε-紊流模型封闭雷诺方程和VOF法追踪自由表面,对某水库溢洪道弯道水流进行三维数值模拟,研究弯道水流水面调整的影响因素。首先,利用物理模型试验结果对溢洪道弯道水流的数值模拟方法进行了验证;其次,基于已验证的数学模型,通过调整弯道段的首端坎横向坡比、底板横向坡比、底板纵向坡降,研究了弯道水面变化规律;最后,对弯道水流水面调整影响因素进行了总结。研究成果对于调整弯道水流具有指导意义。     

明渠完全掺气水流水力特性数值模拟研究北大核心CSCD

明渠自掺气现象常见于水利工程,当水流流速较高时,空气在较大的紊动作用下会扩散至水槽底部形成明渠完全掺气水流,水流掺气对水力特性有较大影响。目前对掺气的研究大多通过模型试验,而模型试验又存在难以忽略的缩尺效应。本文采用混合模型、紊流模型和浓度方程建立了一套水气二相流数值模型,利用有限差分方法进行离散求解。采用明渠自掺气试验对该数值模型进行验证,掺气浓度和水流流速的数值模拟结果与试验数据吻合良好,说明本文建立的数值模型能有效地模拟明渠完全掺气水流水力特性。进一步研究发现,对于明渠完全掺气水流,掺入水体的空气受强烈紊动作用可以到达水槽底部,使得壁面对掺气水流阻力作用减小,造成掺气水流流速明显大于相应非掺气水流流速。     

二维溃坝波数值模型及其应用

本文从Boltzmann方程出发,应用有限体积-KFVS(Kinetic Flux Vector Splitting)格式建立了基于无结构三角形网格的二维溃坝波整体数值模型,采用改进的干底Riemann解处理动边界问题.应用上述模型模拟了浙江某水库溃坝后溃坝波的传播过程,计算结果反映了溃坝波所到之处,水位暴涨、流速从零迅速达到极值的现象.结果表明,本文建立的二维溃坝波整体数值模型具有水量守恒、计算稳定,特别适用于强不规则地形下的溃坝波计算.     

突扩突跌侧空腔掺气水力特性大涡模拟

基于模型试验和大涡模拟紊流模型及具有自由面追踪功能的VOF单流体模型,对中闸室出口处突扩突跌掺气设施侧空腔长度和侧墙上的水力特性进行了试验和数值模拟研究。试验与数值模拟结果表明：大涡模拟可以更为精细地揭示近壁水流特性。本文的掺气设施可形成较长的侧空腔,水流与侧墙接触后侧墙上未见负压区存在,水流对侧墙的动态冲击会在靠近侧墙的下游水流中形成大量气泡;较大的水翅不利于侧空腔的掺气,并会引起下游水流产生不利的流态。     

Fluent软件在溢洪道泄流中的应用

运用Fluent软件采用标准k-ε紊流模型和VOF法追踪自由表面,模型进流边界按压力进口边界条件,采用UDF函数定义水流进口断面压强分布,对某水库溢洪道泄洪进行了三维数值模拟,得到了溢洪道泄流量、沿程水面线、底板压强及流速分布,计算值与试验值吻合较好。表明采用压力进口边界条件和UDF函数定义水流进口断面压强分布研究溢洪道泄流是可行的,可在泄水建筑物体形优化设计中广泛应用。     

基于精细地形建模的溃坝洪水演进三维数值模拟

针对三维溃坝洪水数值模拟缺乏涉及城市复杂下垫面地形建模的水库溃坝洪水演进的研究现状,本文首先提出了基于TIN与NURBS曲面重构的精细地形建模方法,同时结合等效糙率法以区分不同的下垫面条件对洪水的水流运动产生的阻力影响,从而为溃坝洪水演进三维数值模拟提供精细的下垫面信息;其次,采用耦合VOF法的修正RNG k-ε湍流模型模拟了溃坝洪水的演进过程,并通过模型验证分析了该模型的准确性;最后,以某城市地区水库溃坝为例,分析了下游复杂区域洪水演进过程、流速、水深等水情信息。结果表明:本文提出的地形建模方法具有较小的数据储存量且保持较高的地形精度;同时基于精细地形建模的溃坝洪水演进三维数值模拟既准确地模拟了洪水演进过程,且充分地反映了溃坝水流的复杂流态及细节。     

河道溃堤水波的物理模型实验研究

河道堤坝溃决是我国易发灾害之一。溃堤将引发河道外洪水灾害和河道内水位流量的波动。现有溃堤研究多集中于应用数学模型模拟,现场观测和物理实验等直接观察获得的成果非常有限。本文通过在大型室内水槽中进行的物理模型实验,模拟了溃堤后洪水在溃口外洪泛区内的演进和落水波在河道内的传播过程。通过压力传感器阵列和声学多普勒流速仪对溃堤引发的水位、流速等变量进行了测量,并对溃堤波演变过程进行了研究。实验结果表明:(1)河道内的流速对于溃口下游洪水波的传播速度影响不大,但对溃口外水位的分布有一定的影响;(2)溃堤引发的河道内落水波在溃口上下游的影响不对称,落水波向上游传播较慢但幅度较大,而向下游传播较快但幅度较小;(3)溃堤发生后溃口流量随时间发生变化,水流稳定后溃口流量主要和上下游流量差有关,即溃口水流处于稳定分流状态。实验成果可为溃堤洪水动力学分析提供可靠的数据,为数学模型提供较为完整的验证资料,进而对河道溃堤洪水的预防和灾害控制提供科学的支撑作用。     

梯级水库土石坝连溃模拟及风险分析

目前梯级水库群的建设开发越来越重要,但是国内外学者在这方面的研究还很少。针对这种现状,在DB-IWHR溃坝模型计算土石坝溃坝过程的基础上,通过调洪演算把上下游水库联系起来,建立了梯级水库土石坝连续溃坝模型。选取实例（唐家山—甲水库梯级水库）,在下游甲水库有预警、无预警和不同泄水能力等工况下,进行了连溃模拟及风险分析。结果表明用DB-IWHR溃坝模型模拟唐家山水库溃坝过程,流量模拟值与实测值吻合较好,但比实测值稍大;在梯级水库运行中,通过增加预警信号提前泄水和增大下游水库泄水能力可有效降低梯级水库连续溃坝的风险。     

典型街区洪水演进的概化水槽试验研究

由于全球气候极端化现象加剧,城市洪涝灾害的强度与频率均呈上升趋势。为充分了解城市洪涝灾害的致灾机理,提出行之有效的减灾措施,有必要对典型城镇街区的洪水演进过程进行研究。本文建立了具有典型街区构造的洪水演进物理模型,模型中布设道路、建筑物、人行道、绿化带等设施。基于试验数据定量分析了建筑物密度、绿化带设置等对洪水演进过程带来的影响。得到主要结论如下:(1)溃坝波在模型道路上的运动速度与初始时刻上游水库的水深及道路本身特性有关,建筑物与城市绿化设施的布置对其影响较小;(2)布置绿化带及建筑物减小了过水面积,导致洪涝灾害发生后道路上的水位上升;但增加房屋密度将减少流入街区两侧的水流体积,布设绿化带将增加房屋周边的水流阻力,促使水流沿模型道路演进;(3)建筑物前水深与初始时刻水库内水深近似成正比,但初始水深较大时水流对建筑物的冲击力将远大于初始水深较小的工况。本试验结果可以为数学模型提供翔实的率定资料,并为面临突发洪涝灾害威胁的街区提供设计参照。     

级间抽气对多级轴流压气机性能及流场影响的数值研究

以某发电用多级轴流压气机为研究对象,利用三维数值模拟方法对比抽气压气机及未抽气压气机,研究级间抽气对压气机总体性能及叶栅流场的影响。结果表明,级间抽气对整个压气机的总体性能有较大影响,对抽气口上游叶栅后半段特别是靠机匣区域影响较大,叶栅进口高速区域面积明显增大,下游叶栅机匣 S1流面整体压力下降,上游叶栅低压区域明显下降且低压面积增大。     

Investigation into Behavior of a Steam-Water Mixture Flow Through Holes in a Submerged Perforated Sheet at High Void Fractions

Processing of experimental data on the pressure difference across a submerged perforated sheet (SPS) revealed that, at sufficiently high void fractions under SPS, the pressure difference across it became less than the pressure difference for the pure steam stream with the same flowrate. To find the cause of this, the effect of a liquid film, which can be formed on the SPS upstream surface as a result of water droplets’ impact and can smooth over sharp edges of holes in SDS, was examined. This can decrease the pressure drop across the sharp edges of holes. This assumption was checked through numerical solution to several model problems in the axisymmetric formulation for a steam flow in a round pipe with an orifice. The flow of steam and water was modeled using the viscous incompressible liquid approximation, while the turbulence was described by the k–ε model. The evolution of the interfacial area was modeled using the VOF model. The following model problems of steam flow through an orifice were studied: a single-phase flow, a flow through the orifice with a liquid film on its upstream surface, a flow through a chamfered hole, and a flow through the orifice with a liquid film on its upstream surface without liquid supply to the film. The predictions demonstrate that even the approximate account of the liquid film effect on the steam flow yields a considerable decrease in the pressure drop across the hole (from 8 to 24%) due to smoothing its sharp outlet edges over. This makes it possible to make a conclusion that the cause of a decrease in the pressure drop across SPS observed in the experiments at high void fractions is the formation of a liquid film, which smooths the sharp edges of the hole.     

弯曲河流裁弯后牛轭湖进口淤积模型

根据2011—2017年黄河源野外调查,发现若尔盖黑河流域牛轭湖进口段以推移质淤积为主,但是其淤积过程与主控因素却不明晰。通过分析裁弯后牛轭湖进口段的推移质淤积过程及其影响因素,构建相应的简化物理图形,建立其进口段推移质淤积过程的理论模型,并采用野外观测数据验证。数值计算表明,进口段的淤积速率是上游来沙量、沙栓长度和原河道分流角的函数,即沙栓越短、上游来沙量越大和分流角越大,牛轭湖进口淤积完成所需时间越短。概化模型用于模拟黑河上游麦曲的某个牛轭湖进口段淤积过程,其计算值与实测值较符合,但也存在一定误差,主要因为该牛轭湖形成后经历了2013—2016年的洪水期,其来流量与输沙量是非恒定,且存在较大变幅。     

基于非一致性水文序列的水库极限防洪风险复核分析

随着气候变化、人类活动影响的加剧,水文序列一致性条件遭到破坏。本文选择下垫面变化剧烈的西大洋水库控制流域为研究区域,采用水文变异诊断系统,分析其年最大洪峰流量序列的变化趋势及变异点,确定序列变异形式;根据非一致性水文序列频率分析方法,分别得到过去条件下、现在条件下的洪峰流量序列以及相应频率的设计值;以西大洋水库校核洪水位为极限防洪风险控制指标,采用频率分析法,分别计算出过去条件下极限防洪风险率为0.00769%,现在条件下极限风险率为0.00508%。显然,无论是过去还是现在条件下,复核后的西大洋水库的极限防洪风险率均小于现有的万年一遇校核标准(0.01%),计算结果可以为西大洋水库实行动态汛限水位控制,充分利用汛期洪水资源,提高水库的综合效益等方面提供理论指导。     

锦屏二级非常规洪水冲沙减淤优化调控研究

泥沙淤积严重会影响水库正常运行,但汛期畅泄冲沙又会造成一定发电损失。针对人工泄水冲沙解决水库泥沙淤积问题,设计了一种非常规洪水冲沙方式,通过物理模型试验研究了对称非常规洪水与非对称非常规洪水输沙规律。结果表明,对于对称非常规洪水,平均流量相等条件下,输沙能力随着流量变幅的增大而增大;对于非对称非常规洪水,平均流量与峰流流量不变条件下,输沙能力随基流时长与峰流时长比值的减小而增大。并基于此建立了锦屏二级三维水动力泥沙数值模拟模型,设计了合理的非常规洪水冲沙方式,验证了非常规洪水对锦屏二级库区泥沙输移效果的优化。非常规洪水冲沙方式对解决水库泥沙淤积,节约冲沙用水量,达到经济最优有一定参考意义。