涌潮作用下丁坝附近水流运动特性的数值模拟研究

采用压力隐式算子分割法(PISO)求解雷诺时均方程和RNGκ-ε紊流模型,建立了描述涌潮作用下丁坝附近水流运动规律的数学模型。水流的控制方程采用有限体积法离散,物理变量采用交错网格布置,自由表面应用流体体积(VOF)法追踪。该数学模型得到实测资料的验证后,数值模拟了钱塘江涌潮作用下丁坝附近的流场、自由水面、涌潮变形和涌潮压力的变化规律等。结果表明:丁坝附近水力特性受涌潮影响较大,来潮初始,丁坝附近紊动强烈,流场和自由水面变化很大;丁坝上涌潮压力急剧增大,且丁坝不同高程处的压力几乎都在同一时刻达到其最大值。     

丁坝群附近流场的三维数值模拟研究

丁坝具有导流、护岸、调整水深和营造局部冲淤等众多功能,在实际工程中应用广泛。文章采用有限体积法对正挑丁坝群的周围流场分布进行了三维数值模拟,以期深化对丁坝群附近的水流流场及局部冲刷机理的认识。研究发现,流场中有三个大的逆时针旋涡产生,第一座丁坝坝头处有下潜水流,且切应力达到最大值,是该位置发生严重冲刷的主要原因,且流量越大,冲刷越严重。     

丁坝冲刷过程试验研究

本文通过长历时冲刷过程试验，探讨了丁坝冲刷随时间发展过程的特点和规律，分析了有关因素如床沙粒径，丁坝大小与水流条件对冲刷过程的影响，建立了清水稳定流条件下描述冲刷过程的表达式。研究表明，不同条件下的冲刷过程仅仅与时间无量纲数τ有关，冲刷初期，冲坑发展很快，并达到总督绝大部分，以后逐渐趋势于冲刷平衡。最后本文还就试验结果同桥墩冲刷情况进行了比较和统一。     

涌潮作用下漫水丁坝根部防冲措施试验研究

在涌潮水槽中，通过对漫水堆石水丁坝根部不同附加工程保护措施情况下，丁坝上游侧冲刷坑形态的试验对比分析，以及对坝根部位水流流态特征的观察分析，提出适用于此类漫水丁坝坝根部位防冲保护的工程措施和结构型式。     

涌潮条件下排桩式低丁坝水力学冲淤试验研究

本文在水槽中用动床模型试验手段研究了涌潮条件下不同透水率的排桩式低丁坝群的水力学冲淤特性，并探讨了低丁坝的护滩保塘机理。结果表明，低丁坝的保滩护塘机理主要体现在三个方面；对涌潮潮头的阻挡作用，对涌潮快水的减冲作用和在落潮期回流淤积作用。本文除对护塘丁坝的设计提供基本数据外，还对新颖丁坝型式和结构的探讨有借鉴意义。     

双丁坝间流场及局部冲刷的数值模拟研究

因双丁坝对河道流场及泥沙冲淤的影响有别于单丁坝,选取实际河道丁坝群中的双丁坝建立三维模型,并拟定5种对比方案,基于计算流体力学(CFD)数值模拟的方法,采用RNG k-ε模型和VOF法捕捉液体自由面进行模拟计算,对比分析了双丁坝协同工作时的水沙运动特性。流速与冲刷深度计算结果表明,当双丁坝长度相差大于10m时,易形成不均匀的河道流场,不利于河势控制;当首、次丁坝长度协调时,冲刷坑尺寸较小,坝间河岸被双丁坝回流区掩护,近岸流速较小,河道流场均匀,对丁坝稳定、河道治理与河势控制效果较好。     

涌潮条件下排桩式低丁坝水力学冲淤试验研究

本文在水槽中用动床模型试验手段研究了涌潮条件下不同透水率的排桩式护塘低丁坝群的水力学冲淤特性，并探讨了低丁坝的护滩保塘机理，结果表明，不透水的排桩式丁坝群，其坝田部位可减冲1-1.6m，与相应方案的堆石坝研究结果相近；随着板桩丁坝透水率的逐渐增大，滩地防冲作用逐渐变小，然而透水率大于60%的丁坝，仍有0.8m以上的减冲能力，低丁坝的保滩护塘机理主要体现在三个方面；即对涌潮潮头的阻挡作用，对涌潮快水的减冲作用和在落潮期回流淤积作用。     

进口流速对丁坝回流长度影响的数值模拟研究

运用计算流体力学（CFD）方法,对宽浅河道中非淹没丁坝的流场进行二维数值模拟研究。模拟结果显示RNGk-s模型能够较好地描述出丁坝下游实际回流特征的产生,扩散及消失过程,能够较好地模拟丁坝下游的回流尺度。最后采用此模型模拟不同进口流速在相同条件下的流场结构,通过量纲分析与数值模拟结果的比较分析得到进口流速对回流尺度影响的关系式。进口流速越大,回流边线越长越宽。研究结果对丁坝的设计与施工,具有一定的参考意义。     

涌潮水流CFD数值模拟

涌潮是一种对涉水建筑物冲击巨大的非线性强间断流,实现涌潮的小尺度精细模拟是分析涉水建筑物在涌潮作用下结构稳定性的前提。采用大涡模拟(LES)技术求解N-S方程,利用流体体积法(VOF)实现对自由水面的追踪,边界上给定基于涌潮理论公式推导出的涨潮流速与水深条件,进行了涌潮的小尺度精细模拟。结果表明,数值模拟得到的涌潮传播速度与理论值比较接近,Fr < 1.3时为波状涌潮,Fr>1.5时为旋滚涌潮,涌潮形态分区与前人的试验成果吻合。在涌潮传播过程中,潮头处流速最大,且表层流速波动幅度始终大于中低层流速波动幅度,旋滚涌潮潮头水体紊动比波状涌潮强烈。模拟结果同时表明涌潮潮前水深与涌潮高度是影响潮头流速波动和形态的主要因素。上述涌潮模拟方法可为涌潮河段涉水建筑物的结构设计及安全评估提供参考。     

涌潮对钱塘江河道流场影响的三维数值模拟研究

利用实测的钱塘江地形数据建立了钱塘江三维河道的计算机几何模型,并根据已有的涨潮潮位等水文信息,采用VOF方法追踪模拟水和大气的自由交界表面,对钱塘江涌潮进行了三维非稳态数值模拟。数值模拟结果与不同时刻和不同测点所测得的水文数据的对比显示,模型能较好地模拟涨潮条件下河道内流场和潮位的变化。在此基础上进行了涌潮对河道内流场影响的规律的研究。     

Experimental hydrodynamic study of the Qiantang River tidal bore

To study the hydrodynamics of tidal bore, a physical modeling study is carried out in a rectangular flume with considerations of the tidal bore heights, the propagation speeds, the tidal current velocities, the front steepness, and the bore shapes. After the validation with the field observations, the experimental results are analyzed, and it is shown that: (1) the greater initial ebb velocity or the larger initial water depth impedes the tidal bore propagation, (2) the maximum bore height appears at an initial ebb velocity in the range of 0.5 m/s-1.5 m/s, (3) when the Froude number exceeds 1.2, an undular bore appears, after it exceeds 1.3, a breaking bore occurs, and after it exceeds 1.7, the bore is broken.     

钱塘江涌潮对风场响应的三维数值研究

台风作用下钱塘江涌潮观赏性强,破坏力大。结合台风期实测潮汐资料分析,基于三维数学模型研究了顺风和逆风条件下恒定风况对钱塘江涌潮水流的影响,得到了不同风况对涌潮高度、流速、传播速度和涌潮潮景的影响程度。顺风作用导致涌潮高度、流速和传播速度均增大,风速愈大,增加幅度愈大,涌潮流速沿水深分布愈不均匀。在顺风30 m/s风况下,盐官涌潮高度增加5%,涌潮流速增大33%,涌潮传播速度加快37%;顺风作用下,老盐仓回头潮更强,回头潮水位更高,反映了台风期间老盐仓经常出现回头潮翻越海堤堤顶的情况。逆风作用与顺风作用相反。计算结果与实际情况在定性上一致。     

高阶涌潮方程的一种数值方法

涌潮潮头处,水位骤涨,相应地,流速的铅垂分量必有一定大小.考虑这个分量以后,压力不再符合静水压力分布律,据此可以得到高阶浅水流动方程.采用龙格库塔法求该方程的数值解.结果表明,强度较小时,涌潮是表面光滑,波幅渐次减小的波列,强度大到一定程度,表面破碎,进而发展成为溯源推进的水滚.     

杭州湾天文潮长周期变化对涌潮的影响

基于长系列实测潮汐资料和调和分析方法,分析了涌潮起潮点下游杭州湾实测潮汐和天文潮长周期变化,进而分析了天文潮变化对钱塘江涌潮的影响。结果表明：乍浦站实测潮汐每年八月初三和八月十八同日同潮实测潮差、潮到时间和涨潮历时变化幅度很大,最大变幅分别为1.95 m、102 min和122 min;乍浦站天文潮每年八月初三和八月十八同日同潮潮差、潮到时间和涨潮历时最大变幅分别为1.52 m、93 min和46 min。天文潮变化对涌潮影响很大,盐官站同日同潮涌潮高度最大相差1.12 m,涌潮到达时间最大相差93 min,涌潮流速最大相差2.05 m/s,涌潮陡度最大相差18.1%。     

钱塘江九溪涌潮重塑在工程实践中的探索研究

为保护钱塘江涌潮景观、减小涌潮危害,重塑钱塘江九溪涌潮,变潮害为潮景,使涌潮可赏、可控、安全。应用KFVS格式建立二维涌潮数学模型,在实测水文资料验证的基础上,计算优化方案实施前后的流场及涌潮传播特性,从构筑物近区涌潮高度、涌高明显的岸线长度和涌高明显的区域面积等3个指标综合评判涌潮重塑效果。通过物理模型试验,模拟涌潮的形成与传播过程,分析比较各方案实施前后工程区域附近涌潮传播过程的壅高、越堤等变化情况,进一步验证了重塑效果。研究结果表明,通过优化工程布局,采取工程措施,钱塘江九溪涌潮重塑具有可行性,既能保留九溪涌潮特性,又能实现安全观潮。     

A preliminary study of the turbulence features of the tidal bore in the Qiantang River,China

In this paper, the turbulence characteristics of the tidal flow in the Qiantang River, China, the world-famous Qiantang bore, are studied. A detailed field observation at the Yanguan section of the Qiantang River was carried out during the spring tide in October 2010 with a continuous collection of high frequency turbulence data. The data analysis shows that the hydrodynamic processes are characterized by a strong tidal bore. Statistics of the turbulence such as the probability distributions of the turbulent components, the variance terms and the covariance terms are found consistent with those of previous studies of estuaries without the tidal bore. However, along the vertical profile, the distributions of all variables become more scattered downwards. The horizontal turbulence fluctuations are of a similar magnitude while the vertical turbulence has a fluctuation magnitffde about 1/3 of that of the horizontal turbulences. The fluctuation strengths and the Reynolds stresses are much larger than those of other estuaries when the bore arrives. The bottom shear stress varies periodically with the tides, less than 0.44 N/m2 during the ebb but is increased drastically at the bore arrival, with the maximum being 0.92 N/m2. A good linear relationship is found between the bottom shear stress and the bottom suspended sediment concentration.