溃坝水流作用下急弯河道泥沙输移数值模拟

将有限元特征分裂算法(CBS)应用于二维浅水控制方程的求解中,建立了模拟溃坝水流泥沙输移的数学模型。CBS算法在计算对流主导的问题时具有很好的稳定性与较高的精度,适用于处理溃坝水流流速大,水位、床面变化剧烈等问题。应用该模型对90°急弯河道全溃所致的水流运动进行了数值计算,并与试验资料进行了比较,证实了该方法的可靠性。最后用该模型模拟了180°弯道中溃坝水流在缓坡、陡坡时的洪水演进与泥沙输移。结果表明:模型能够较好地模拟溃坝水流运动,模拟结果符合水流泥沙运动规律。     

二维溃坝洪水波演进的数值模拟

采用基于MacCormack预测-校正技术的隐式数值格式求解控制水流运动的二维浅水方程，建立了模拟大坝瞬间全溃或局部溃倒所致的洪水演进过程数学模型．应用该模型对矩形明渠中缓、急流过渡的水面曲线进行了数值计算，并与理论解进行了比较。最后用该模型预测了矩形河道中大坝瞬间局部溃倒时下游有多个障碍物的洪水演进过程，算例说明该数学模型对模拟溃坝洪水波很有效。     

Numerical simulation of dam break flow impact on vertical cylinder by cumulant lattice Boltzmann method

The purpose of this study is to apply the cumulant lattice Boltzmann method(LBM)to simulate high Reynolds number free surface flows.The single-phase cumulant LB...     

基于加权本质无振荡格式的二维溃坝水流数值模拟

将加权本质无振荡WENO(Weighted essentially nonoscillatory)格式和Runge-Kutta时间离散的思想应用于二维浅水控制方程的求解中,建立了模拟大坝瞬间全溃或局部溃倒所致的洪水演进过程的数学模型。应用该模型对一维矩形明渠中大坝瞬间全溃所致的水流运动进行了数值计算,并与理论解进行了比较,证实了方法的可靠性。最后用该模型预测了矩形河道中大坝瞬间局部溃倒时的洪水演进过程,模拟结果与实际相符。算例表明采用WENO格式所建立的高分辨率溃坝模型能够很好地模拟溃坝波的演进过程。     

清水沟水库溃坝对主河道行洪过程影响数值模拟研究

溃坝洪水危害巨大。为研究支沟溃坝对主河道洪水过程的影响,采用集成HLLC近似黎曼求解器的二维水动力模型,模拟研究了支沟清水沟水库溃坝洪水对主河道大理河行洪过程的影响。模拟结果表明:计算水位与实测洪痕吻合度较好,证实所建模型能较为精确地模拟溃坝洪水演进过程;清水沟水库溃坝对大理河上下游均有影响,上游会发生明显的壅水现象,流量具有先下降后上升再下降至稳定的趋势;最为关心的下游洪峰呈现出先增加再下降至稳定的过程,并不是简单的叠加计算,而与上下游关系密切。该成果对于防治支沟溃坝在主河道形成洪水具有一定的指导意义。     

溃坝水流在复杂河道中传播的三维数值模拟

为研究河道弯曲和障碍物对溃坝波传播的影响,采用有限体积法对描述水流运动紊流模型和描述自由水面运动的VOF方程进行离散,建立了溃坝水流运动的三维数学模型,并对急弯河道进行了数值模拟计算。急弯河道溃坝波传播过程的模拟结果与前人实体模型试验结果基本一致。利用该模型研究了丁坝附近溃坝波传播的特性和溃坝水流的内部结构,数值模拟结果表明,溃坝波的传播受河道弯曲或障碍物的影响,产生反射和绕射,使得局部溃坝水流呈明显的三维特性。上游丁坝迎水面受到溃坝波波前的直接冲击,其动水压力远大于作用于下游丁坝的动水压力。另外,障碍物对溃坝水流的影响主要局限在障碍物上游和下游一定范围内,在此范围外,水流呈二维或一维特性。     

溃坝洪水数值模拟

在已有溃坝洪水数学模型基础上建立的溃坝洪水计算模型，可对洪水由库尾向坝址的传播过程、溃坝洪水向下游的推进过程、溃坝洪水漫过堤防后在下游城镇内的淹没过程进行水动力学模拟．利用所建立的溃坝洪水计算模型，对某水电站大坝溃坝洪水在拟定的各工况下进行的坝下游洪水预测表明，溃坝历时、水库上游来流量及溃坝时不同的坝前水位是影响该模型计算结果的主要因素．     

考虑河岸冲刷的弯曲河道水流及河床变形的数值模拟

本文将正交曲线坐标系下的平面二维水沙数学模型和粘性河岸的冲刷模型结合，用于模拟弯道内的水流运动、悬移质泥沙的输移、河床的纵向及横向变形.用水槽试验资料验证了本文提出的水流模型，结果表明流速分布、水位等计算结果与实测值相当符合.应用建立的水沙数学模型以及河岸冲刷模型，模拟了一概化弯道在持续清水冲刷下的主流线位置、断面形态、主槽比降的变化过程，模拟结果符合弯道演变规律.     

透空潜坝附近水流特性的数值模拟

透空式潜坝是一种兼顾生态和环境的新型整治建筑物。为深入了解透空潜坝附近水流特性,基于N-S方程和不可压缩气液两相流理论建立三维数值水槽,对梯形透空式潜坝附近水流特性进行数值模拟,研究了透空率、水深和流速对潜坝附近流场、紊动能和涡量等水流特性的影响规律。结果表明:相同水流条件下,随着透空率的增大,坝后回流流速减小,坝后根部紊动强度逐渐增大,而坝后1~4倍坝高范围内紊动强度逐渐减小,涡量先增大后减小。透空率不变情况下,在相同断面平均流速条件下随着水深增大,透水率逐渐减小,潜坝附近紊动强度整体减小,但紊动范围变化不大,坝顶强涡量区面积减小。在相同水深条件下随着断面平均流速增大,涡旋回流强度逐渐增大,潜坝附近高紊动区紊动强度整体也增大, 坝体顶侧和透水圆孔附近正负涡量间隔分布,强度逐渐增大。     

堰塞坝慢顶溃决流量过程数值模拟

堰塞坝的溃口流量过程是堰塞湖应急处置与风险管理的关键问题,采用数值模型计算分析堰塞坝溃口流量过程的关键是正确模拟溃口形成机理。本文在前人工作基础上,根据一般滑坡堰塞坝特点和实际观测到的堰塞坝溃口发展规律建立了一个溃口扩展模式,将溃口扩展过程归纳为三种主要表现形式,采用试验资料建立的高强度泥沙冲刷计算公式将溃口冲刷的三种表现方式联系在一起,建立堰塞坝逐渐溃决数学模型,利用实测溃坝资料验证了模型的可靠性。考虑到溃坝洪水计算的极大不确定性,对计算模型中一些关键参数给定一定变幅范围研究了这些参数对计算结果的影响。     

阶梯溢流坝掺气水流运动的数值模拟

从两相流基本方程出发,分析了水利工程中水气两相流的特点,采用QUICK格式对控制方程进行离散,建立了适用于自掺气水流的数学模型.应用此数学模型模拟计算了阶梯溢流坝面水气两相流的自由水面、流速场及初始掺气点等参数,并与模型试验实测结果进行对比分析,两者吻合较好.     

梯形透水潜坝三维水流特性的数值模拟

基于OpenFOAM开源程序包,对4种透空率(0.1、0.2、0.3和0.4)潜坝的三维流场进行数值模拟,研究了透空率和流量对透水潜坝周围三维水流特性的影响规律。结果表明:相同流量条件下,随着透空率增大,坝后回流减弱,上升流高度降低,缓流区范围减小,涡量减小,坝体腔内及坝后透水圆孔附近紊动能增大;相同透空率条件下,随着流量增大,坝后缓流区范围增大,回流逐渐减弱,掺混紊动作用加剧,涡量及紊动能的大小和影响范围也逐渐增大。     

黄河宁夏段漫溃堤洪水耦合模型及风险评估

河道持续的高水位和长历时洪水增大了堤防漫溢及溃决的风险,溃堤洪水不确定性强,一旦溃堤,威胁巨大,因此开展溃漫堤洪水风险分析是防洪实时管理的必然要求。使用侧向链接构建了河道及保护区一维-二维耦合模型,综合考虑青铜峡水库的影响,更真实地模拟了黄河宁夏段下河沿至石嘴山河段100年一遇设计洪水下的溃漫堤洪水过程,同时基于GIS平台进行溃漫堤洪水灾情评估得到量化的洪灾损失指标,为经济建设者和洪水管理者制定合理的洪水预案提供参考。     

溃坝典型水流水力特性试验研究

黏性土坝漫顶溃决是一个水、土二相耦合逐渐发展的过程,涉及水流冲蚀主动力和坝体材料被动抗力的综合作用。立足当今世界溃坝研究的前沿理论,借鉴以往现场原型试验相关成果,对土坝溃决过程进行了宏观阶段划分,并在此基础上开展专门的水槽试验,采用PIV技术对表面冲刷水流和陡坎冲射水流的精细水流结构进行了详细研究。试验获得了两种典型水流的几何特性及相关水力特性,总结分析了各水流结构对坝体的冲蚀作用机制。相关成果的获取可从本质上对黏性土坝陡坎溯源冲蚀机理进行理解和掌握,亦可为数值模拟及其他溃坝研究工作提供技术参考。     

不同条件下矩形沙坑影响的数值模拟对比研究

应用有限体积法建立了河道平面二维水流泥沙数学模型并将模型应用于典型河段的计算,验证了模型的计算精度.设置了不同来水来沙条件和沙坑几何边界条件,将本模型应用于几种工况的理想矩形河道中矩形沙坑影响模拟研究,计算表明采砂对河道的正常演变产生影响,影响结果与离沙坑的距离、沙坑的深度和面积大小以及来水来沙情况等因素有关.初步分析了在采沙规划中可控制采沙影响后果的措施.     

洪水入渗尾矿坝边坡渗流稳定性数值分析

针对洪水位升高造成尾矿坝边坡失稳破坏的问题,建立洪水入渗尾矿坝流-固耦合方程,利用FLAC3D有限差分计算软件,对洪水位升高后入渗尾矿坝边坡稳定进行数值分析,研究洪水入渗后尾矿坝边坡饱和度、孔隙水压力、边坡应力和位移变化规律,得到了洪水位升高入渗对边坡稳定性的影响,并进行坝体安全性指标分析,计算得到此坝体边坡安全系数为1.66,进而确定潜在滑移面位置。研究结果可为尾矿坝边坡稳定提供有利参考。     

局部防风措施对大坝施工的防护作用数值模拟研究

在中国西南高山峡谷中,大型水电工程的施工往往会受到大风的干扰。超过7级的大风会影响缆式起重机的运行及作业面施工,无法保证混凝土的连续浇筑,不仅影响施工进度也严重影响施工质量。结合白鹤滩水电站在无防风措施下会受到大风影响的情况,利用三维计算流体力学方法,对增设了局部防风措施的大坝施工全周期风场环境进行数值模拟,得到坝体区域及高、低线供料平台处的风场分布,分析了所增设的局部防风措施的防风效果。研究表明：在增设局部防风措施后,大坝施工区域整体风速有所减小,在大坝施工高程较低时效果较为明显,对施工区域能够提供有效的防护,高程较高时则防护效果减弱。研究成果为工程的安全施工以及下一步防护措施的提出提供了依据。     

大坝瞬时溃决水流数值模拟——以Malpasset水库为例

建立反映天然条件下大坝瞬时溃决水流特点的数学模型,模型采用有限体积法对二维浅水方程进行非结构离散,利用Roe格式的近似Riemann解来计算网格界面处的通量。为避免采用堰流公式估算溃口流量带来的误差,将水库库区与大坝下游的计算区域统一划分计算网格,溃口处流量由计算格式自动识别。以Malpasset水库为例,对数学模型进行了验证。通过与实测数据的比较可以看出,该模型较好地模拟了大坝瞬时溃决后的洪水运动过程,模拟结果可以为溃坝洪水风险分析提供科学依据。     

三峡水库近坝区三维流场及温度场的数值模拟

基于三维不可压缩流动的N-S方程建立水流水温模型,模型在动量方程中考虑浮力作用并取消了静水压力假定,采用大涡模拟紊流模型计算紊动扩散,并考虑水面散热及其太阳辐射的影响因素,适合于对复杂流态及其有密度分层流动的数值模拟。应用所建立的数学模型对三峡近坝区从庙河至坝前水域的三维流场及温度场进行了数值模拟,计算出的水温分布与坝前观测的水温分布二者符合良好。模拟结果表明,三峡水库在蓄水至139 m水位时,垂向没有明显的水温分层,与实测结果相符。