细颗粒悬沙浓度分布的影响因素分析

从颗粒运动的PDF(概率密度分布函数)输运方程出发建立颗粒相的质量、动量和脉动速度二阶矩方程。对明渠二维恒定均匀流，利用垂向动量方程导出了修正的泥沙扩散方程，表明颗粒脉动强度梯度、升力、有效重力和紊动扩散都影响悬沙运动。理论和数值分析了细颗粒泥沙的密度、粒径、浓度，挟沙水流的水深和剪切流速等因素对泥沙扩散系数和浓度分布形状的影响，并定量分析了细颗粒试验资料，表明传统扩散方程在粒径、剪切流速相对较大、水深和水沙密度比较小的流动中存在较大误差，需要修正。     

稳定冲坑内剖面二维悬移质扩散的数值研究

基于N-S方程和悬移质扩散方程,采用网格标记法(MAC)追踪自由水面,应用标准k-ε封闭方程建立了二维水流泥沙数学模型.运用数学模型对射流冲坑内的流场、泥沙浓度进行数值计算,得到了冲坑内流场、紊动特性及悬移质泥沙浓度的分布情况,并与实验数据进行了比较.结果显示,该数学模型具有较高的精度和适用性,能较好地模拟稳定冲刷坑内的流场和悬沙浓度分布.     

传统泥沙扩散方程的误差分析

基于封闭的两相流颗粒相动理学模型，分析了传统泥沙扩散方程的概念性误差，结合Einstein＆Chein(1955)试验资料对误差作了定量分析。由于不能反映惯性力、升力、泥沙应力梯度等影响，传统泥沙扩散方程仅适用于含细颗粒的低浓度流动；在固液密度比、径深比、沙粒雷诺数和水流能坡较大的流动中，传统泥沙扩散方程的预测结果可能存在较大误差。基于动理学模型的扩散方程能很好描述泥沙的垂向扩散特征，显示了在不同挟沙水流条件下的适用性。     

明渠紊流中泥沙颗粒输移的大涡模拟研究

应用大涡模拟、浸入边界法和有限元—离散元联合法,数值模拟了明渠紊流中2-3层紧密堆积的离散泥沙颗粒的起动和输移,计算了不同输沙强度下,泥沙颗粒运动和受力的统计特征、泥沙浓度、泥沙体积通量密度和输沙率,以及流场的速度剖面和紊动强度等。研究发现:泥沙颗粒的起动和输移对紊流的统计特征有明显影响;主流区的泥沙浓度和体积通量密度随高度的增加呈指数下降;颗粒所受平均升力与输沙强度关系不明显,其最大值约为0.6倍的颗粒浮容重;升力的紊动强度随输沙强度等增大而增大,且数值远大于其平均值,紊流结构引起的脉动升力是泥沙颗粒起动的主要原因。     

悬移质泥沙运动相似条件探讨

根据紊流扩散理论所得的三维非恒定悬移质泥沙运动方程,利用相似理论,对悬移质泥沙悬移相似条件进行了初步探讨,结果表明,悬浮相似条件和沉降相似条件相同。众多学者之所以推导出与此条件不相容的悬浮相似条件,问题的关键在于泥沙紊动扩散系数比尺α_εSy 的求解中,引用了摩阻流速、对数流速分布和卡门 常数比尺这3个在变态模型中互不相容的等式条件。     

悬浮颗粒紊动扩散系数的随机分析

本文分析了紊动流场中无粘性的离散颗粒在重力和流体施加的随机力作用下沿垂向的运动,应用随机过程论研究颗粒的垂向紊动扩散.在一定条件下,令颗粒位移的概率密度所满足的Fo-kker-Planck方程与泥沙扩散方程等价,即可得到颗粒垂向紊动扩散系数表达式.表达式显示出的扩散系数随垂向脉动流速均方根值和颗粒粒径、密度而变化的趋势与实验结果吻合.     

颗粒态和溶解态磷浓度计算公式的推导与验证

河流水体中的含磷营养物质与较细颗粒的悬移质泥沙发生吸附作用,将对水质循环过程产生影响。基于拟合磷与泥沙颗粒吸附过程的Langmuir方程和修正Langmuir方程分别推导了计算颗粒态磷(PP)和溶解态磷(DP)的计算公式。并采用香溪河泥沙样品的磷吸附实验数据和野外观测数据验证了推导公式,计算结果与实测值符合良好。研究结果表明:当悬移质泥沙浓度较低时,可采用线性吸附方程近似计算颗粒态和溶解态磷浓度,但当悬移质泥沙浓度较高时,需要采用本研究推导的计算公式,特别是解吸和吸附现象并存时,需要使用基于修正的Langmuir模型推导的计算式。研究成果可用于水质或水生态模型建模。     

基于有限掺混长度概念的悬沙浓度垂线分布研究

从掺混长度理论的基本假定人手,分析菲克定律解释紊动扩散现象的局限性,根据有限掺混长度概念,对明渠流中悬沙浓度垂线分布进行研究:由垂向紊动强度确定掺混速度,分析水体和泥沙作为不同研究对象时掺混长度的差异,定义水体掺混长度和泥沙掺混长度概念,依据卡门紊流相似假说和水流剪切应力分布特征,确定泥沙掺混长度的垂线分布,考虑浓度对泥沙沉降速度的抑制作用,建立明渠流中悬沙浓度垂线分布模型,并进一步分析浓度和颗粒大小对泥沙掺混长度的影响.计算值和测量值的比较表明,该浓度分布模型能够较好地反映明渠流中悬沙浓度垂线分布特征.     

关于悬移质含沙量沿垂线分布的几个问题

本文从悬移质扩散方程出发,根据粘性流体的非滑移条件,考虑了泥沙颗粒周围有部分流体随泥沙一起运动的特点,得到了一个新的平衡情况下恒定均匀二维明渠流的悬移质运动的基本方程,即其中m。等于泥沙体积和随泥沙颗粒一起运动的水体体积之和与相应体积内的泥沙体积之比.它与泥沙颗粒的大小,形状及含沙量有关.根据上述方程得到的含沙量沿垂线的分布公式,不仅较好地克服了Rouse公式中存在的水面含沙量为零、床面含沙量为无穷大的两大缺陷,而且其结果与实测资料较为符合,特别是近底含沙分布与实际情况十分吻合.     

泥沙对水流紊动影响的进一步分析

泥沙颗粒对水流紊动的影响是水－沙两相流运动的重要问题之一。本文针对这一问题，从水流紊动的起因出发，分析了泥沙影响水流紊动的基本途径和方式，结合实验资料，主要对含沙量和泥沙粒径影响水流紊动强度的机理进行了探讨。从不出现尾涡脱落的至少能响应一部分大尺度涡的基本条件出发，得到了泥沙颗粒抑制或增强紊动的判别条件，并得出结论：因含有沙粒、水流紊动存在着被削弱、增强、或局部削弱、局部增强３种情况，表面在不同的     

长江口二维非均匀悬沙数值模拟

针对长江口水流泥沙运动的特点建立了非均匀悬沙的平面二维数值模型。在模型中考虑了波浪对流场的影响和对水流挟沙力的影响 ,在确定悬沙絮凝沉速时考虑了泥沙粒径、盐度、含沙量及水流紊动的影响。悬沙模型建立在曲线坐标下 ,悬沙输运方程采用破开算子的方法求解 ,平流项采用UltimateQuickest格式求解 ,提高了计算的精度。通过实测资料对数学模型计算的悬沙含量进行检验 ,表明它较好地反应了长江口地区泥沙的运动规律     

一维河网非恒定流及悬沙数学模型的节点控制方法

本文的一维河网非恒定流及悬沙数学模型，是根据以一维圣维南方程组，悬沙非平衡输运方程及水位、含沙量节点控制法而建立。首先，利用单一河流有限差分方程组转换形式和节点处质量、能量守恒性，写出所有节点的水位控制方程组。求解此不规则稀疏矩阵方程组得到得有节点的水位，再由单一河流非恒定流的求解方法可获得所有单一河流的断面水位和流量。基于水注的节点水位控制法，本文提出了节点悬沙控制法。假设节点处冲刷或淤积较小，所有节点的含沙量控制方程组可通过输沙量守恒方程用矩阵形式写出。求解此不规则稀疏矩阵方程组，得到所有节点处的含沙量。所有单一河流断面处的含沙量通过单一河流悬沙输运的求解方法获得。本文介绍的模型适用于各种河网类型。作为检验，该模型成功地应用于珠江三角洲流域河网水流及悬沙的数值计算。     

三维水动力泥沙输移模型及其在珠江口的应用

为研究河口的泥沙输移规律和最大浑浊带与盐水入侵、咸淡水混合等的关系，本文提出了具有二阶精度、建立在9结点有限单元上的三维水动力及泥沙输移模型，该模型考虑了由水平密度梯度引起的斜压项、引用2．5阶Mellor-Yamada紊流模型耦合计算水流的涡动黏滞性系数与物质的紊动扩散系数。本模型采用破开算子法求解控制方程：用欧拉-拉格朗日法求解水平对流项；用有限元法求解水平扩散项；有限差分法求解垂向扩散项。模型应用于模拟珠江口的泥沙运动，计算域包括整个河口的八大口门，用1998年7月的洪季大潮实测资料进行了潮位、流速及流向、盐度及含沙量等的验证，模型计算结果与实测结果吻合良好。在模型验证的基础上，文中简要讨论了珠江河口的泥沙输移、盐水入侵及最大浑浊带等物理现象。     

全沙数学模型在港口环境评价中的应用

本文提出了用两相流连续方程、运动方程描述底沙推移质运动模型的方法，建立了封闭求解的二维全沙数学模型方程组，对悬沙与底沙的交换问题进行了讨论。引入了平衡挟沙和非平衡挟沙交替计算的新方法。将此模型初步应用于港口建设的工程环境评价中，得到水流泥沙实测资料的验证，说明全沙数学模型方法是正确的。     

局部冲刷坑发展过程的泥沙输运特性

为揭示水流作用下沙质河床结构物周围床面冲刷过程中的泥沙输运特性,采用三维紊流、考虑推移质和悬移质运动的河床变形数值模拟,研究了清水冲刷和动床冲刷条件下,墩柱型结构物局部冲刷过程中悬移质和推移质泥沙输运贡献及其与马蹄涡流特征量、床面切应力以及泥沙悬浮指数的相关性。研究发现,清水冲刷条件下,悬移质输运占比较小,推移质泥沙输运占优;动床冲刷条件下,悬移质输运的贡献随悬浮指数的减小迅速增大;冲刷过程中悬移质和推移质输沙率与床面切应力变化趋势一致,结构物周围局部切应力的大小与马蹄涡涡量呈正相关关系。     

非恒定悬移质不平衡输沙的研究

本文根据沙量、水量守恒原理，导出了非恒定流条件下悬移质不平衡输沙的对流－源汇方程。并采用特征线法和分离变量法获得了断面平均含沙量时空分布的解析解表达式。该解反映了含沙量的动态演进过程，为建立非恒定流泥沙数学模型奠定了基础。     

悬浮物输运的数学模型

为了研究镇江内湖悬浮物的输移运动规律,建立了二维悬浮物输运数学模型。模型考虑了风场及潮流作用下悬浮物的输运,同时还考虑了悬浮物的沉降和再悬浮机制,采用切应力概念确定悬浮物的起悬量和沉降量。在无结构网格上对水流和悬浮物输运方程进行有限体积的积分离散,应用高性能的Osher格式计算水量、动量及悬浮物输运等通量,提高了数值模拟的精度。应用2次大规模水文和悬浮物含量的野外同步监测资料对模型进行了验证。模拟值与实测值吻合较好,表明模型能合理地反映内湖水流及悬浮物的运动规律。     

横向槽沟内泥沙淤积与水平轴环流变化的数值模拟

本文建立了剖面二维水流泥沙数学模型。采用贴体坐标及有限差分方法，用流函数-涡量为变量的零方程率流模型求解流速场。对横向槽沟内泥沙淤积与水平轴环流进行了数值模拟，并分析了槽沟内泥沙淤积与水平轴环流变化的关系。