基于FVM格式的二维水动力学模型在河道整治工程流态分析中的应用研究

本文基于有限体积单元格式(FVM格式)建立河道二维水动力模型,并将模型用于河道整治工程流态分析计算中,此外结合断面实测水位和流速数据对构建模型进行验证。研究结果表明:基于FVM格式的浅水二维水动力模型适用于非恒定流的流态计算,计算的断面水位和流速与实测值之间的绝对误差值分别在0.08―0.46m和0.3―2.3m/s之间,相关系数均在0.6782―0.7845之间;相比于整治前,整治后的河道断面流速有所减小,断面过流能力相应增加,有助于区域防洪安全。研究成果对于河道整治工程后防洪影响评价流态分析计算提供方法参考。     

调水工程中明渠非恒定流数值计算

1前言天然河道、人工渠道中过水断面上的压强P、平均流速u、以及流量Q、水位z等水力要素随时间不断变化的流动,称为明渠非恒定流。非恒定流产生主要是因为流场边界条件随时间变化和水体自身的不稳定引起。对明渠非恒定流的计算是为了正确估计这些水力现象发生时水位、流量、流速等水力要素的大小及变化情况。出于受地形、经济和技术等因素的制约,调水工程往往需要采用明渠和有压管道相结合的形式;明渠中的非恒定流往往是由闸门或泵站的开启和关闭等人为因素导致:与天     

码头建筑物对水位影响的模型试验及计算方法

河岸码头建筑物势必导致其上游水位壅高及对码头附近水流流态产生影响。以汉江沙洋河段为对象 ,通过定床概化物理模型试验研究了码头建筑物对河道水位与流速场的影响。并基于能量平衡原理 ,采用河道恒定非均匀流水面曲线基本方程 ,结合物理模型试验资料 ,计算了码头建筑物附近的水位变化值 ,并提出了码头建筑物产生的水位壅高值的计算方法。     

向家坝水电站下游非恒定水沙特性研究

水电站日调节和泄洪引起的非恒定流改变了下游河道的天然水沙过程,将影响下游河道的防洪、航道、港口及船舶航行安全,需研究坝下非恒定流的传播规律、关注航道内比降与流速的变化以及航槽内的输沙特性,实现水电与航运协调发展.结合向家坝水电站下游滩段的物理模型试验与坝下一维数模计算的成果,开展了电站下泄非恒定流对下游水位、流量、比降、流速及输沙的影响研究.结果表明:日调节引起的坝下水位、流量变化沿程坦化,水位与流量变幅沿程减小;随着电站泄水波的行进,峰前瞬时比降和水流速度相应增大,退水时沿程水面比降与流速随谷减小,随后恢复原有的比降(流速)与流量关系;泄水波峰前最大比降随流量变率的增大而增加,与流量的变幅无关;非恒定流输沙率大于恒定流的输沙率.     

码头建筑物对水位影响的模型试验及计算方法

 河岸码头建筑物势必导致其上游水位壅高及对码头附近水流流态产生影响。以汉江沙洋河段为对象,通过定床概化物理模型试验研究了码头建筑物对河道水位与流速场的影响。并基于能量平衡原理,采用河道恒定非均匀流水面曲线基本方程,结合物理模型试验资料,计算了码头建筑物附近的水位变化值,并提出了码头建筑物产生的水位壅高值的计算方法。     

排水管网非恒定流数值模拟新方法

提出了数值模拟城市排水管网非恒定流新的计算方法，即采用扩散波模型，将待求水位和流量分为运动波分量和扩散波分量两部分，并先后求解．在处理明满流过渡时，没有采用Preissmann明窄缝近似方法．用原型观测资料验证计算结果表明，计算值与实测值吻合较好．     

安康枢纽下游非恒定流数学模型研究

由于安康电站未设置满足航运设计流量要求的小型发电机组,无法保证常年带系统基荷运行,导致安康下游枯水期通航受到严重破坏.为兼顾发电与航运利益,尽可能发挥有限水资源综合利用的最佳效益,对安康电站日调节泄流过程进行科学调度.采用有限元方法,将流量和水位相耦合,采用水位修正算法计算水位,建立了一维非恒定流数学模型,该模型放宽了时间步长的限制,数值稳定性好,计算速度快.将模型应用到汉江安康电站坝下至白河160 km河段的恒定流与非恒定流计算和验证,结果表明该模型准确、可靠,可以进行实际应用.     

天然河道一维非恒定流数学模型

天然河道水流计算中，洪水漫滩时横向流速分布极不均匀，直接用一维非恒定流方程进行模拟会产生较大误差，以前的处理方法其假定与实际差距较大，作者对此作了一些探索性研究，将横断面划分成若干个子断面，动量方程中的动量项取为各子断面动量之和，从而消除了横向流速分布不均匀的影响，并对渭河下游一次洪水过程进行了计算。     

三峡电站流量变率对两坝间通航水流影响的三维计算分析

三峡至葛洲坝两坝间航道曲折多变、水流条件复杂,三峡电站在泄洪和日调节时产生的非恒定流,使得两坝间的航行条件更为复杂。通过建立两坝间通航水流三维数学模型,针对电站机组开启过程下泄流量变率产生的非恒定流对两坝间河段通航水流条件的影响,开展了计算分析研究。计算分析了三峡电站机组不同开启时间和不同开启流量情况对典型河段水面比降、表面流速产生的影响及其变化规律。研究结果表明:机组开启时间变化情况下,通航最困难河段水面比降增幅随机组开启时间缩短而加大,但最大表面流速线性增大;机组开启流量变化情况下,水面比降和最大表面流速随下泄流量线性增大。     

长距离分洪河道水面线分析计算

针对长距离宽滩型分洪河道,模拟分析恒定流及非恒定流洪水下的水力计算差异。以小清河分洪道为例,采用MIKE11一维水动力模型模拟洪水演进过程,其中恒定流洪水按相应标准非恒定流洪水的洪峰控制,糙率采用滩槽分区糙率,末端水位为相应标准设计静水位。结果表明:当实际洪水为具有峰型过程的非恒定流洪水时,按恒定流计算的水面线总体偏高,有利于防洪安全但偏于保守;按非恒定流计算的水面线相对较低,沿程洪水坦化及洪峰衰减明显,较符合洪水实际演进过程,根据其计算的水面线确定堤顶高程,工程更为经济合理。     

双孔护镜门闸顶泄流水动力特性与流态特征的三维数值模拟研究

江苏南京三汊河河口闸工程采用双孔护镜闸门,为了准确揭示其典型挡水工况下(大闸门关闭,闸顶溢流)闸后水流的水动力特性与流态特征,本文建立了基于时均雷诺方程和RNG k-ε紊流模型方程的封闭模型方程组,对河口闸典型挡水工况的泄流流态进行了三维数值仿真研究。采用非结构化四面体网格和分体网格技术对复杂边界条件下的数值模拟进行优化。计算结果与物理模型试验结果吻合良好,揭示了典型挡水工况下水闸下游水流流态、涡漩结构规律和流速分布特征,对这种新型闸门的安全运行与结构稳定具有重要意义。     

一种改进的DEM数字水系简易提取方法研究

利用DEM提取数字水系的过程分为填洼、流向计算、汇流累积量计算和设定阈值提取水系,其中以填洼和计算各单元的汇流累积量最为费时。相比与Jenson和Domingue(JD)、Planchon和Darboux(MV)填洼算法,L.Wang和H.Liu(WL)填洼算法具有原理简单、运行速度快等特点。但是,WL算法未对平区高程进行修正,增加了后续相关算法的复杂度。本文通过将JD和MV算法中的微小高程增量引入WL算法,建立改进的WL算法,可以有效地解决该问题。在汇流累积量的计算过程中,受WL填洼算法思想的影响,构建了逆向WL汇流累积量算法,该算法一改传统的流向追踪思想,通过对填洼后DEM进行升序排序,可逐步对每一栅格进行计算。该算法原理简单,易于实现,对单流向和多流向方法均具有很强的适应性。利用SRTM、GDEM源数据进行了示例计算,并将结果与ARC/INFO软件结果进行了对比,结果表明该方法合理、准确。     

地下水流数值模拟中抽水井水位的校正

总结了已有的抽水井水位校正方法后,通过引入不稳定井流解析解,提出了基于矩形网格和不规则多边形网格二维有限差分模型的井中水位校正公式。采用该公式分别对小尺度模型和大尺度模型进行分析,计算结果表明,常规数值法得到的井中水位降深明显偏小,甚至只有实际井中水位降深的1／3～1／4,而经本文公式校正后得到的井中水位则与实际水位接近,相对误差较小,具有较高精度。     

试验场地下水流的数值模拟

为研究某市建的试验场是否对周边地下水量造成影响,采用伽辽金有限单元法,建立试验场浅层地下水水流模型,使用Fortran语言对所建立模型进行编程,并对试验场地下水进行了数值模拟.本次计算共分为十二个阶段,每个阶段的时间步长为30 d.计算结果表明:在模型的识别阶段和验证阶段,所有观测孔水头的计算值与观测值,在各时段拟合相对误差率分别为66.28％和88.53％,所建模型基本可用于试验场地下水水流计算.周边地下水水位增加94.08 mm,试验工程建成后会对周边地区造成影响.     

一维不恒定流泥沙数学模型研究

本文着重对求解一维不恒定流泥沙数学模型控制方程的数值解法进行了研究，结果表明，用线性化方法与非线性选代计算对圣维南方程进行求辑，二者计算结果的差异很小，但线性化方法可以节省大量的计算工作量，且可取较大的时同步长进行计算。对悬移质泥沙运动方程式，相临时层之同用差分法求解，在局—时层上球其分析解。不仅可以避免含抄量计算结果的不合理现象，而且计算量也较小。用丹江口水库下游的资料对模型进行了验证，计算结果与实测资料符合良好。验证计算同时表明，用不恒定流泥沙数学模型进行河床变形计算，计算时间不会比恒定流泥沙数学模型增加很多。     

潮流河段温排水影响的平面二维数值模拟

 为研究电厂温排水对受纳水体的温升影响,基于无结构的三角形网格,采用有限元算法,建立了平面二维非恒定流温排水数学模型。该模型建立在非恒定水动力学模型基础上,考虑了源汇项的作用,因此能适应于各种恒定与非恒定河道水流中的温排水计算,并能适应于喇叭形和蘑菇头形等多种排水形式。该模型在多项电厂程温排水问题研究中得到了成功应用,以位于长江下游感潮河段中的南京马渡电厂为例进行了计算分析,并采用实体模型试验成果对数学模型计算结果进行了对比检验。开发研制了数学模型的后处理软件,实现了温排水运动过程的动态演示。     

阿拉沟水库溢洪道水流特性数值模拟

采用标准k～ε湍流模型,利用VOF法追踪自由水面对阿拉沟水库溢洪道设计和校核工况下水面线、断面流态进行数值模拟,并将两种工况下水流特性进行比较,结果表明水面线实测值与计算值二者吻合良好,各断面平均流速实测值与计算值误差在允许范围内。因此采用数值模拟能够反映不同工况条件下溢洪道的水流特性,可为溢洪道结构设计提供可靠依据,具有一定的实际应用价值。     

一种确定坝肩防渗帷幕长度的方法研究

安全与经济始终是工程设计中需要认真处理的一对矛盾问题,本文基于左右坝肩单位面积的最大渗流量（最大流速）与坝基单位面积的最大渗流量（最大流速）相等的原则,推导了坝肩防渗帷幕长度的公式。以一个实际工程为例,分别用公式法以及有限元计算法,计算了坝肩防渗帷幕的最优长度。计算结果表明：在满足渗透坡降、渗流量、渗流速度、水头高程的前提下,二者的计算结果基本一致。验证了本方法的有效性,对工程计算与设计具有一定的指导意义。     

超低水头水轮机动静干涉效应的数值模拟研究

采用RNG k-ε湍流模型对一可用于小水电、越浪式波浪能发电的单级超低水头水轮机进行了全流道三维非定常流动计算,应用滑移网格技术考察了动静干涉效应。通过数值模拟计算,分析比较了不同流量下水轮机压力、轴向速度的脉动特性,以及轴向水推力、力矩的变化规律。结果表明：水轮机内流场周期性脉动明显,该周期性脉动主要由静叶尾迹与动叶间的干扰所引起,脉动频率以叶片通过频率为主;随着流量（水头）的增加,无叶区压力、轴向速度的波动幅值均逐渐增大。