保水堰的交替水流数值模拟初探

为了对保水堰的交替水流进行数值模拟,依据保水堰恒定流情况下的工作特性,将保水堰的水流形态分成堰流和满流两种状态,分别建立保水堰不同流态下的非恒定流数学模型。分析两种不同水流形态的交替机理,建立两种水流的转换条件,联立两种不同形态的数学模型构成保水堰的堰流和满流交替的非恒定流数学模型。利用数值计算的方法对保水堰的水流交替情况进行了模拟,结果表明,通过将两种流态的方程进行组合,可以合理地模拟保水堰的水流交替过程。     

弧形闸门开启过程非恒定流流量系数研究

为探究非恒定流流量系数特点,采用RNG k-ε紊流模型结合动网格技术对某工程Y形宽尾墩表孔弧形闸门开启过程进行了三维动态数值模拟研究,根据过闸流量滞后的特点,将闸后水流分为滞后式、过渡式和平稳式3种流态。分析了闸门开启过程中水流流态及非恒定流流量系数与闸门开启速度和溢流堰顶水头的关系,指出非恒定流流量系数随闸门开启速度的加快及堰顶水头的降低而减小,并给出不同开启速度和堰顶水头情况下适于过渡式及平稳式水流的流量系数经验公式。部分结果与试验结果进行对比,吻合良好,验证了数值方法的可靠性。     

南水北调中线工程总干渠水力学 仿真模型研究

以节制闸为边界将南水北调中线总干渠分为若干子段,采用闸门过闸流量公式、能量方程、圣维南（Saint-Venant）方程组和低压管流方程分别计算闸门水位流量关系、明渠恒定流、明渠非恒定流和有压建筑物非恒定流,以此建立总干渠水力学计算模型。通过双重迭代方法对水流方程、过闸流量方程进行联合求解,以模拟总干渠运行调度动态过渡过程,以京石段2008年输水实测数据对水力学模型进行验证,结果表明模型具有良好的收敛性和较高的精度。     

闸门对水力过渡特性影响研究

结合南水北调中线输水工程实际,采用显式的特征线法求解明渠和有压管道的圣维南方程。在长距离输水问题中,模拟段包含多个控制闸门。提出闸门处的水力过渡连接模型,在已有的两个特征方程的基础上补充闸孔出流公式和流量连续条件,分析闸门运行对渠道中水流的影响。利用窄缝法将明渠和暗管水流进行统一求解,采用变时步法克服扰动波在明渠和暗管中传播速度相差悬殊而导致的时间步长不协调问题。在明渠和暗管的连接处考虑水流的局部水头损失,更好地反应了非恒定流中扰动的传播特性。实际模拟输水渠道具有多个控制闸门和退水闸门的问题,分析了闸门对渠道中非恒定流的影响。     

自流压力输水管路保水堰最小安全超高分析

自流压力输水管路的保水堰是保证稳定供水和安全运行的重要工程措施。本文把调节池输水管道保水堰作为一个水力系统,分析保水堰的工作原理和运行特点,建立动态水流的数值计算模型。利用试验数据对计算模型进行验证后,采用数值方法对保水堰的水流特性进行模拟。结果表明,当输水系统停水时,长管道水流的惯性力作用可能引起调节池的水位跌落和波动,为了防止进水口发生水体脱空现象,保水堰的最小安全超高需大于上游突然停水时调节池的最大跌落深度,从而建立了保水堰安全超高的估算公式。     

复杂内边界长距离输水明渠的一维非恒定流数学模型

大型跨流域调水工程。通常具有输水线路长、沿程过水建筑物类型和数量多的特点。节制闸、分水口及倒虹吸、渡槽等建筑物与水流的复杂作用，造成了长距离输水明渠非恒定流模拟的困难。建立了复杂内边界长距离输水明渠的一维非恒定流数学模型。模型定义和模化了节制闸、倒虹吸和多孔并联渡槽等3种类型的内边界条件，实现了对输水明渠水力过渡过程中水位、流量大幅度变化的无间断连续模拟。模型应用于南水北调中线一期工程总干渠全线和单个闸门的模拟分析。验证了模型的合理性。结果表明，模型能够模拟多内边界复杂输水渠道的水力响应过程，可作为南水北调中线一期工程等跨流域大型明渠输水工程的模拟工具。     

输水渠道中闸门调节速度与水面线变化研究

运用特征线法建立输水渠道一维非恒定流数学模型，数值模拟给出了在不同的闸门调节组合及渠道运行方式下，不同的闸门调节速度对渠道水面线变化的影响。模拟结果表明：闸门调节速度越大时，流量及水位的变率也越大，水位也越早出现波动情况，对渠道的衬砌安全也越不利，但是渠道的响应时间会缩短，且最终都能过渡到同一平衡状态。     

并联输水箱涵检修操作过程中的水力仿真及瞬变控制

长距离输水箱涵在检修操作过程中常会出现剧烈的水力皮动,检修井后接的箱涵往往出现局部脱空的情况.本文通过建立长距离并联输水箱涵单孔检修的非恒定流数学模型,对检修操作过程中的水力过渡过程进行了模拟.在对检修操作时通过检修闸的流量过程线进行分析的基础上,对检修闸分两段关闭的操作方式进行了优化.并针对工程的实际条件,提出通过在检修井后设置补水孔,利用非检修箱涵向检修箱涵补水,对并联输水箱涵单孔检修所引发的瞬变流进行控制,最后在水力仿真的基础上对补水孔的面积进行了优化.     

压坡渐扩式出口泄洪洞水力特性数值计算分析

为研究不同闸门开度及水位工况条件下，压坡渐扩式出口泄洪洞洞身及出口流态，采用RNG k-ε湍流模型对压坡渐扩式出口泄洪洞的水力特性进行数值模拟。结果表明：闸门全开时，泄洪洞全洞范围内均呈有压流状态，流态稳定；闸门非全开且水位较低时，洞内流态不稳定，容易出现明满流交替的运行状态；闸门小开度时，挑流鼻坎抬高了出口水位，受出口挑坎反弧阻滞作用，出口段流速有所减缓，挑距较小，水流易冲击坡脚。故对于压坡渐扩式出口泄洪洞，设计时有必要开展水工模型试验研究。     

具有堰的环状河网中追赶系数的新求贩

以圣维南方程组为基础,建立了具有堰的环状河网非恒定流数学模型.采用Preissman四点隐格式法对圣维南方程组进行离散,并考虑了堰的影响,利用河网的三级解法编制河网非恒定流的计算程序求解各断面的水位Z和流量Q.对于堰出流的模拟,根据堰的上下游条件,给出了环状河网中有内部边界堰存在时追赶系数的一种新的推求方法,提出了适用于环状河网中自由出流和淹没出流的算法.实例研究表明,该模型是可靠的,可以用于河网水流治理工程的数值模拟研究,并且提供了一种处理明渠分流的工具,对实际工程有一定的指导意义.     

减水河段水力生态修复措施的改善效果分析

通过二维水力模拟计算,对深槽和挡水堰不同组合的修复方案,即在河道横断面上设置深槽以及纵向上间隔设置挡水堰等工程措施,对减水河段的水力生态修复措施进行研究。以四川某山区河流一段120m长的河段为例,根据代表鱼类对水深、流速适应度的曲线,计算出权重可使栖息地面积(WUA),并使用其来分析生境改善效果,同时还对影响河段沿程增温率的水力参数进行了对比分析。计算结果表明：在河道流量为1．65m\+3/s(约为多年平均流量的5％)时,采用深槽修复可增加WUA约48％,再在深槽基础上设一道拦水堰后共可增加WUA约84％;同时深槽还可使河流沿程增温率下降,使水温更接近减水前的状况。采用多道拦水堰将有助于尽可能多地提高栖息地面积,但拦水堰间距也不应过小,该河段拦水堰间距在30m左右为宜。分析表明,采用深槽加多道拦水堰的水力生态修复措施可以起到明显改善减水河段生境状况的作用。     

多孔并联分段低压输水系统的水力特性和控制

在详细分析多孔并联分段低压输水系统水力特性的基础上，建立了这一输水系统的非恒定流控制方程以及关闸和不关闸条件下的保水堰边界条件。应用所建立的数学模型对南水北调天津干线工程进行了数值模拟计算，得到了运行工况和检修工况下该输水系统的水力特性以及并联空间连通性对水力特性的影响，并提出相应的控制措施。本文还针对输水系统的水力特性，对单联分段低压输水单元的水力振荡方程进行了修正，推导出多孔并联分段输水单元的水流振荡方程和连通式保水堰自由水面的固有振荡频率公式，提出了消除水力共振、缓解输水单元水力振荡的控制条件，为工程设计和运行管理提供技术依据。     

超长引水明渠水电站的过渡过程和运行调度

过渡过程计算分析对水电站安全运行极为重要。基于一维明渠和有压管道的非恒定流基本理论,针对某具有超长引水明渠的水电站,构建了"长引水明渠+压力前池+压力管道+机组"的过渡过程数学模型。根据边界条件,分别利用特征线法计算有压管道的瞬变过程和Preissmann隐式差分法计算明渠的瞬变过程。重点分析了本电站在机组甩负荷工况和增负荷工况下,引水明渠和压力前池中水位和流量的变化过程。并根据明渠浅水波传播慢的特点,针对电站增负荷工况,提出了该电站合理的运行调度方式,既保证了引水明渠及前池的最低水位满足安全运行要求,又保证了电站运行时一定的经济效益,可对类似的工程运行提供参考。     

渠网非恒定流图论原理

基于明渠非恒定流普里斯曼的隐式差分方法,采用矩阵线性变换建立了渠道进出口流量与水深的线性方程。提出了新的渠网非恒定流图论原理,包括适应渠网非恒定流特征的节支关联矩阵A的构建方法及性质分析,基于A的节点连续性矩阵方程和节点水深矩阵方程等。应用矩阵分析方法,推导出渠网非恒定流的节点分析法数学模型,最后给出应用实例。     

明渠流水击现象基本理论探讨

从一维明渠非恒定流基本方程组出发,采用特征线法进行数值离散,探讨了明渠流水击现象的基本理论。以南水北调中线工程总干渠某段明渠为例,计算分析了设计流量和加大流量下进、出口节制闸同时关闭时的水位最大壅高值。指出:明渠流中亦存在水击现象,这种水击可划分为直接水击和间接水击,水击的出现类型与断面水力要素及渠长有关。     

水量量测设备计量检定/校准标准现状及需求分析

计量检定规程/校准规范是评定量测设备计量特性的技术依据,本文以明渠和管道中使用的流量计、流速仪、水位(深)计、特设量水设施、水工建筑物等水量量测设备的计量检定/校准标准为主要对象,研究总结我国水量量测设备计量检定/校准标准的现状和存在的主要问题,分析了水量量测设备计量检定/校准标准需求,提出20项急需制/修订的水量量测设备计量检定规程/校准规范,为我国水量量测设备计量检定/校准技术标准的近期及中长期发展提供依据。     

明渠曲线渐变段体型求解新方法研究

明渠渐变段体型对渐变段中的水流形态有很大影响。为了解决明渠渐变段与下游水流的扩散衔接问题,消除明渠渐变段下游菱形冲击波的影响,根据冲击波特性和辐射水流基本关系,采用冲击波简化积分式,并考虑到渐变段水流与下游衔接,按刘韩生曲线边墙窄缝挑坎计算方法算出明渠曲线渐变段边墙体型,且该方法能够计算渐变段中的水面线。试验表明明渠曲线渐变段中水流平顺稳定且水面渐变升高。渐变段后水流正常,为均匀流,无菱形冲击波的影响,故能够解决水流扩散衔接的问题,该方法可以运用到明渠曲线渐变段边墙体型设计中。     

明渠—结合池—暗管输水系统水力瞬变过程计算

分析了用Priessmann方法计算明渠—结合池—暗管结构的过渡过程的特点，给出了用明渠特征线方法算有压流的基本方程和建模过程。详细地分析了明渠—结合池—暗管结构在过渡过程计算中的边界条件。在编制程序对某具体的工程进行计算之后，指出了Priessmann法应用于明渠—结合池—暗管结构水力瞬变计算所应注意的问题，并对这些问题提出了相应的处理方法。     

BASIC THEORY AND MATHEMATICAL MODELING OF URBAN RAINSTORM WATER LOGGING

In this paper, a mathematical model for the urban rainstorm water logging was established on the basis of one- and two-dimensional unsteady flow theory and the technique of non-structural irregular grid division. The continuity equation was discretized with the finite volume method. And the momentum equations were differently simplified and dis-cretized for different cases. A method of “special passage” was proposed to deal with small-scale rivers and open channels. The urban drainage system was simplified and simulated in the model. The method of “open slot” was applied to coordinate the alternate calculation of open channel flow and pressure flow in drainage pipes. The model has been applied in Tianjin City and the verification is quile satisfactory.