降雨型泥石流对沟床侵蚀的水力学机理

为解决降雨型泥石流对沟床的侵蚀和重塑机理,以水文学为基础,在科学表征泥石流流深的前提下,借助水力学理论,分析了沟床在泥石流流动剪切和渗流水压耦合作用下的侵蚀机理,研究了泥石流流动剪应力、沟床基质孔压、泥石流静压及沟床自重作用的计算方法,给出了沟床侵蚀临界深度表达;借助算例阐明了流域降雨特征、沟道几何参数以及泥石流性质对泥石流流态及侵蚀力的影响规律,展示了沟道侵蚀曲线和侵蚀量的计算方法.结果表明：(1)泥石流侵蚀能力随沟床基质埋深的增加而下降,并在临界深度处消失;(2)不同降雨条件、沟谷特征和泥石流性质下的临界侵蚀深度因流深流速的差异而不同,越利于流深流速增大的流域沟道条件则越利于侵蚀的进行.     

沟道泥流溃决式运动堆积过程二维数值试验

泥石流演化过程由于受其复杂运动特性的影响，还无法建立一个通用且有效的数值模拟方法。针对沟道泥流演化特性，以溃决式运动模化沟道泥流运动堆积过程。通过简单的数值算例，假定泥石沟床比降6％，沟道长100m，沟宽20m，网格大小为△x=1．0m，△y=1．0m，时间步长△t=0．58。假定来流为指数衰减模式，数值试验结果表明泥流堆积过程具有较为明显的龙头衰减过程，头部流速较大，泥深沿程呈现小一大一小的分布，且有较长的拖尾衰减现象。     

结构变化对鱼道水力学特性的影响

除了鱼池长宽比、隔板墩头和隔板结构的改变会对鱼道的流速、流态等水力学特性指标产生影响之外,底孔和坡度等对流速和流态的影响也不能忽视。为了研究底孔和坡度对鱼道的流速、流态等水力学特性指标产生的影响,采用标准k-ε湍流模型对不同工况的鱼道进行了数值模拟计算。研究表明:竖缝式鱼道的最大流速一般出现在竖缝附近,并且对于竖缝处的测点,一般是底层流速更大;增加底孔会降低竖缝处的流速,但底孔处流速偏大;放缓坡度一半时,竖缝处平均流速会降低约20%以上,因此就流速而言,放缓坡度会降低鱼道中的流速,从而对鱼类洄游有利。本实验不仅验证了此次数值模拟计算结果的可靠性,也直观地将鱼道流态清晰展示出来。     

恒流堵塞器冲刷磨损特性的数值模拟

针对油田注水工况下,恒流堵塞器易受固体悬浮颗粒冲刷磨损作用的问题进行了数值模拟.以商业CFD软件F luent 6.1为基础,建立了恒流堵塞器流场三维几何模型,对堵塞器内部流场进行了计算;采用La-grangian离散相模型、Haider曳力公式和随机轨道跟踪方法求解了湍流中颗粒运动轨道;应用Bitter颗粒冲刷磨损模型对冲刷磨损失重进行了计算;对现场测试数据和数值模拟结果进行了对比,证明了数值模拟的有效性;对模拟结果数值上不够精确的原因进行了分析,指出了在注水流量控制装置流体磨损腐蚀分析中充分考虑电化学腐蚀和不锈钢钝化作用的必要性.     

流体谐振型时均流诱导声振荡二维数值模拟

针对时均流通过十字型深腔结构时产生的"流体谐振型"声振荡现象,采用大涡模拟方法进行数值模拟研究.发现动态Smagorinsky-Lilly模型和壁面自适应局部涡黏模型均能较好描述振荡频率和压力振幅随时均流速的变化规律,但后者对雷诺应力预测不足.计算结果表明,在支管内会形成典型的驻波声场,并随着流速的变化表现出不同的水力模态和声学模态特征.在此基础上,揭示流体谐振型时均流诱导声振荡的发生机理:驻波声场影响涡结构的脱落以及运动轨迹,而涡结构在运动过程中向谐振腔内的声场输出能量,完成两者的耦合作用.     

井筒空间内以CO2为载热流体的多相流流动算法分析

在地热开采井井筒空间内流体的流速计算通常采用动量守恒方程,而对于多相流系统直接求解动量方程比较困难,同时也很难将井筒流和储层流模型耦合在一起.为了解决这一问题,通过介绍引入漂移流模型DFM(Drift Flux Model)的方法,将多相流系统不同相的流速建立关系,从而将动量守恒方程中多个未知数转为一个未知数,实现多相流动量守恒方程各参数的求解.     

不同底坡有流流场中单个气泡运动的三维数值模拟

为了对不同水底地形和不同来流情况下,单个气泡上升并与自由表面相互作用的运动进行三维数值模拟,采用了VOF中的PLIC界面重构方法。结果表明：有无来流及来流大小对水平底面的气泡上升运动几乎没有影响。从不同水底坡度和不同来流速度耦合下气泡运动发现,流速和底坡的耦合能有效增大气泡上升速度和自由表面抬升高度,并增大气泡变形。底坡坡度或速度越大,气泡相应物理量增幅也越大,变形更明显。     

猴子岩水库色玉滑坡涌浪灾害链CFD-DEM耦合数值模拟

滑坡涌浪是一种常见的地质灾害现象,由于滑坡体与水体之间存在复杂的流固耦合作用,使得传统的单一介质模型无法进行准确求解。为此,介绍一种基于计算流体力学方法（CFD）与离散单元法（DEM）的流固耦合模型CFD–DEM,采用计算流体力学方法（CFD）求解水体流动,采用离散单元法（DEM）模拟散粒体滑坡运动,充分利用不同计算模型的优势,对滑坡及涌浪演进过程进行数值模拟分析。首先,利用该耦合模型对Robbe–Saule开展的颗粒堆积体坍塌–涌浪试验进行了相同工况下的数值计算,从颗粒坍塌运动过程、涌浪高度演化过程等方面进行对比,结果表明模拟结果与试验结果吻合很好,验证了CFD–DEM流固耦合模型的有效性。然后,将该方法应用于四川省猴子岩水库色玉滑坡–涌浪灾害的演进过程分析,重现了该事件滑坡失稳运动、涌浪产生及传播、涌浪爬升、涌浪回流的全过程,计算结果显示：计算得到的电站进水口处涌浪高度与实测数据较为接近;色玉滑坡从失稳运动至静止堆积的持续时间约为20 s,颗粒平均速度最大达到16.12 m/s;滑坡引起的涌浪约在滑坡失稳10 s后传播到对岸,之后开始沿坡面向上爬升,最大爬升高度达到27.32 m。研究表明CFD–DEM流固耦合模型能够很好地应用于模拟山区河谷大规模滑坡涌浪灾害,可为库区防灾减灾提供高效的技术支持。     

内燃机工作过程三维两相反应流数值模拟

针对内燃机缸内工作过程三维两相反应流动问题开发了一套数值模拟程序.对气相流动采用Euler方法求解,用有限体积法离散控制方程组,采用SIMPLEC算法求解压力速度耦合.而对液滴相采用离散液滴模型(DDM),通过Lagrange方法求解.对液滴追踪采用了一种快速的颗粒追踪方法,考虑了液滴相与气相的完全双相耦合情况,采用Spalding模型描述液滴蒸发,同时采用涡破碎(EBU)模型计算化学反应速率.对TBD620发动机工作过程进行了数值模拟,数值计算结果分别与理论值和实验值吻合良好,压力峰值处误差在2％以内,验证了程序的可行性,并通过不同网格模型证明了程序的网格独立性.     

微反应器计算流体力学与离散元建模及调控

为了提高微反应器内部流场均匀性,抑制固相颗粒团聚,提出超声波耦合流场强化调控方法. 基于计算流体力学与离散元耦合（CFD-DEM）方法,建立微反应器流体动力学模型,得到微反应器流道的多相流场分布与颗粒运动规律. 对可实现k-ε湍流模型源项进行修正,得到微型反应器在超声波激振作用下的颗粒碰撞冲击效应与内部流场非线性分布特征. 结合分形方法,对流道中的颗粒群混沌态分布进行定量分析. 以T形汇流反应器为例,开展数值仿真研究. 结果表明,超声波耦合流场强化可以提高反应器内的流场分布均匀性,对离散颗粒团聚进行有效的抑制.     

嘉陵江与长江交汇水流顶托效应特性研究

干支河流交汇是河流水系发育与演化的重要形式,在河流交汇区常发生水流顶托现象。水流顶托显著影响着干支流交汇区水位、水面比降及床面切应力特性,从而制约着交汇区水沙运动特性及河床演变过程。本文以嘉陵江与长江交汇区为例,基于实测资料与不同组合干支来流的数值模拟结果,突出分析了不同干支来流条件下典型区域水位、水面比降及床面切应力变化特性,结果表明嘉陵江对长江的顶托作用随汇流比的增大而增大,长江上游水面比降随汇流比增大而减小,床面切应力随汇流比增大而减小。     

一次洪水过程的泥石流物源体侵蚀机制试验

洪流是泥石流水动力条件的主要来源之一,洪流引起的沟道物源体形成的水力类-侵蚀型泥石流的形成机理较复杂,为研究一次洪水过程中,不同降雨类型对泥石流物源体的侵蚀-破坏过程的影响,利用自制大比例模型槽,通过降雨和洪水共同作用,以北京市南窖沟为研究对象,进行泥石流缩尺模型试验.通过对试验现象的观测和描述,实时记录了物源体表面在发生面蚀、坡脚掏蚀和切沟侵蚀过程中降雨量和洪水流量的变化.根据物源体不同位置的含水率仪及孔隙水压力计的测试结果,研究了泥石流物源体随降雨和洪水作用的侵蚀-破坏变化特征及机理.结果表明:一次洪水过程中,3种雨型作用下,物源体发生切沟侵蚀破坏的洪水流量均小于洪峰流量;前期降雨作用降低了物源体破坏的累计降雨量;直接暴雨作用下土体未饱和就已发生切沟破坏.试验结果为判断泥石流物源体发生破坏的降雨量和洪水量提供了借鉴,对泥石流启动过程中雨型的研究有重要意义.     

A Study on sediment sources in a small watershed by using REE tracer method

In simulation experiments, rare earth element (REE) tracer method was first used to sludy the sources of sediment yield in a small watershed. The experimental results have shown that the chief parts of sediment sources are constantly changing with the development of gullies. The cutting erosion plays a major role in the primary stage of watershed development. Slope erosion intensity increased gradually with gully development of the watershed, while gully erosion intensity decreased. Similar process was also observed in an individual rainfall. The simulation experiments have shown that the method can satisfactorily interpret the origins of sediment yield of a small watershed on an effective way. The simulation experiments have also provided basic information for field researches.     

金沙江下游溪洛渡与向家坝水库浑水异重流研究

金沙江 是长江的主要产沙区,其泥沙主要产生在下游雅砻江汇口至屏山区间。溪洛渡与向家坝水库是金沙江下游重要的巨型水库,水库蓄水后可能形成异重流。为通过调度手段利用异重流排沙,有必要对两水库的异重流运动规律进行研究。本文采用水沙两相流ASM模型,对两水库不同调度方式下的异重流产生条件进行模拟和预测,探讨了异重流前锋运动规律。研究表明：溪洛渡与向家坝水库在正常蓄水位发电运行条件下均难以形成稳定运动的异重流,而在汛期运行时,一定的流量范围内,当入库浑水含沙量突增1.0kg/m3以上时,会形成异重流,异重流的前锋运动速度与含沙量线性相关,与河床比降无明显关联,该结论对异重流调度的决策有一定的支持作用。     

基于DEM-CFD耦合方法的煤系土边坡失稳机理宏细观分析

边坡的宏观力学特性是由组成土体颗粒的细观参数及其运动决定的,基于连续介质模型的有限元方法虽然能够在宏观层面上基本等效地得到边坡土体的应力变形特性,但难以反映边坡体在微细观尺度上的变形失稳机理,存在明显的局限性。采用将离散元方法（DEM）与计算流体动力学方法（CFD）进行耦合,建立了煤系土边坡三维DEM-CFD流固耦合细观作用计算模型,对降雨作用下煤系土边坡失稳破坏的细观机理进行了分析。结果表明,采用DEM-CFD流固耦合方法模拟的煤系土边坡破坏形式主要是雨水冲刷,边坡滑动面预测为近似的直线段,这与室外模型试验边坡雨水冲刷的范围非常接近,验证了该数值方法的适应性。边坡土体颗粒的力链、配位数以及孔隙率等细观参数,在降雨过程中都会随之发生变化,如坡顶颗粒的孔隙率由初始状态的0.35变化至失稳状态的0.8,这些细观参数的变化与边坡土体的宏观力学表现直接关联,文中通过对颗粒细观参数变化分析,从细观角度深刻解释了雨水作用下煤系土边坡的破坏演变规律。论文研究成果不仅可为该区域煤系土边坡的防护设计与施工提供理论依据,而且为从微细观角度更好地分析离散介质岩土工程的宏观力学规律提供了一种新思路。     

高山峡谷区山洪沟口泥沙堆积特征数值试验

山洪泥石流是高山峡谷区一种常见的自然现象，其运动过程通常伴随剧烈的沟道侵蚀，并在沟口形成显著的泥沙堆积体。由于高山峡谷地区山高谷深，难以通过实地调查及模型实验等传统的研究手段追踪沟床泥沙受山洪泥石流冲刷的运动过程，无法揭示山洪泥石流挟带泥沙的堆积形态及堆积体中泥沙粒径分布特征，易产生对灾害影响范围估计不足导致的区域人员伤亡和财产损失。为探究山洪沟口泥沙堆积形态和粒度特征，以概化的高山峡谷区山洪沟为研究对象，采用耦合的计算流体力学（CFD）与离散单元法（DEM）数学模型，模拟了受到不同流变特性山洪泥石流冲刷的泥沙颗粒在沟口的堆积过程，重点分析了山洪泥石流体积浓度对堆积区中不同粒径泥沙颗粒堆积发展过程的影响。结果表明：泥沙堆积体的发展速度随着山洪泥石流体积浓度增加呈现先增加后减小的趋势，过高的体积浓度促使堆积体形态发生改变。泥沙平均堆积距离随时间变化可以分为高速增加、初次减速、增速恢复和稳定发展4个阶段。随着粒径的增大，泥沙与堆积体中心的平均距离也增大但堆积分散程度减小。泥沙颗粒的分散程度随时间变化过程与泥沙粒径和体积浓度密切相关，可以使用具有三个参数的幂函数对这个过程进行预测。泥沙颗粒粒径的增大加快其在堆积体中的分散速度而山洪泥石流体积浓度的增大使泥沙颗粒的分散速度先增加后减小。本研究可为进一步理解山洪泥石流堆积致灾机理提供科学依据。     

坝坡垫层料降雨冲蚀破坏机理研究

针对燕山水库大坝开展三维有限元瞬态流固耦合计算,对强降雨条件下坝坡降雨入渗过程进行模拟,在降雨入渗模拟结果分析的基础上,结合坝坡垫层料颗粒特性分析及现场勘测结果,研究了坝坡垫层料降雨冲蚀破坏过程,研究结果表明:降雨入渗是导致下游坝坡垫层料冲蚀的主要原因,水力梯度大于垫层料最小临界水力梯度值的区域是发生冲蚀的主要区域;降...     

黄土丘陵沟壑区小流域水土养分流失特征研究

采用人工模拟降雨和定位观测相结合的方法, 研究了典型的黄土丘陵沟壑区王家沟流域水土养分流失特征, 提出了水土流失量与降雨量、前期土壤含水率、土壤、地形、植被等有关自然因素间的定量关系. 研究结果显示坡地损失的养分总量占其养分输出总量的近 80%. 流失泥沙中的细小颗粒是养分流失的主要载体, 采用综合治理措施能有效控制小流域土水养分流失.     

岸坡植被对复式河道水动力特性影响的数值模拟

广泛分布于天然河道岸坡的植被能够改变河道水流特性,进而影响坡脚淘刷、河岸稳定及河道形态演变趋势。为精细揭示岸坡植被对复式河道水动力特性的影响,提出植被固壁边界处理方法,利用雷诺应力模型封闭紊流控制方程构建了复式河道三维水动力数学模型,并对复式河道水流特性进行了模型验证,模拟结果与实测结果吻合较好。将该模型应用于岸坡有植被的复式河道水流特性研究,对比非淹没刚性植被、淹没刚性植被、淹没与非淹没刚性植被交替和无植被情况下流速、流量、河床剪应力、雷诺应力以及紊动能分布的差异。结果表明：岸坡植被加剧了滩槽间横向动量交换,引起二次流涡旋数量、强度和范围的增加,同时使得横断面流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能在滩槽交界区显著减小,紊动交换在临近植被的周边区域明显增加。其中岸坡种植非淹没刚性植被时效果最为显著,相比无植被情况,二次流涡旋数量增加了一对,岸坡植被区流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能大幅减小,甚至趋近于零,而临近植被的周围区域紊动交换剧烈,无量纲化的紊动能值可达到20。