涌潮测控系统在涌潮水槽试验中的应用

从Bore 2010涌潮测控系统的基本原理出发,介绍了该测控系统在涌潮水槽试验中的应用。在涌潮水槽试验中,Bore 2010涌潮测控系统通过调节上下游变频器运行频率来控制涌潮潮前水深的稳定,使水体具有一定大小的潮前落潮流速。在这种工况条件下,增加下游变频器不同的运行频率产生了波状涌潮或漩滚涌潮,符合涌潮实际情况。通过各种潮前水深、潮前落潮流速和涌潮高度多方案试验研究,表明Bore 2010涌潮测控系统能很好地应用于涌潮水槽试验。     

钱塘江海宁三期治江围涂工程对涌潮影响的数值模拟研究

应用KFVS格式建立了钱塘江二维涌潮数值模型,在实测涌潮资料验证的基础上,模型预测了钱塘江北岸海宁三期治江围涂工程对钱塘江涌潮的影响.研究结果表明:实施围涂1万亩后,在走南河势下,大缺口及盐官的涌潮高度分别抬高0.23m和0.09m,海塘堤前涌潮流速增加5%,涌潮到达时间提前约3分钟,盐官涌潮后5分钟内的水位和流速变化率加大;围涂工程对涌潮潮景的影响较小:盐官附近的一线潮将更为壮观,尖山附近的交叉潮位置有所下移,老盐仓附近的回头潮基本不变.     

钱塘江河口涌潮长期观测体系的建立

建立钱塘江河口涌潮观测体系，是防御潮灾、保护涌潮资源和研究涌潮规律的重要基础工作。在梳理以往观测资料的基础上，结合不同河段的涌潮特性和现状节点，沿钱塘江两岸布设盐官和美女坝等2站8点，按涌潮的水力特性确定涌潮高度、形态、流速、压力、行进速度、含沙量、潮位过程、河床冲淤过程及风速风向等9项观测内容，初步形成钱塘江河口的涌潮观测体系，为涌潮的保护利用及河口两岸的基础建设提供技术支撑。     

物理模型试验中涌潮的产生和测控

在物理模型试验中复演天然涌潮,对其产生机理、变化过程、流域影响、产生的危害、治理方法、能量利用等方面进行研究,意义非常重大.物理模型中可采用多种装置产生涌潮,试验采用变频器控制水泵,在试验河段的上下游均设置闸板的玻璃水槽,研究涌潮产生的流程、控制和测量方法.     

“烟花”台风对钱塘江涌潮影响的数值模拟

2021年7月25日“烟花”台风登陆于浙江舟山,恰逢天文大潮期,对钱塘江涌潮产生了较大的影响。为研究该强台风对涌潮的影响,建立了台风暴潮作用下的涌潮数学模型,采用“烟花”台风登陆期实测数据进行数学模型的验证,模型较好地复演了台风登陆期潮位和涌潮的变化过程。拟定计算方案以分离台风的直接和间接影响,计算结果表明:受“烟花”台风登陆时的逆风影响,台风对盐官河段涌潮的直接影响明显较间接影响小。“烟花”台风登陆时盐官潮差为3.59 m,盐官—老盐仓的涌潮传播速度增加7.7%,一线潮和回头潮的潮头高度平均增加0.30和0.22 m。“烟花”台风使盐官一线潮和老盐仓回头潮的潮到时间分别提前62和65 min。     

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。     

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。     

钱塘江涌潮特性及其数值模拟

在钱塘江涌潮实测资料的基础上,分析了钱塘江涌潮高度、涌潮传播速度、涌潮流速、涌潮形态及景观、涌潮压力等涌潮特性.同时,应用基于KFVS (kinetic flux vector splitting)格式的二维涌潮数值模型模拟了钱塘江涌潮的形成、发展和衰减的全过程,复演了"交叉潮"、"一线潮"、"回头潮"等现象.通过对计算结果的比较分析,对涌潮特性有了进一步的认识.     

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。     

钱塘江嘉绍大桥设计涨潮流速计算

嘉绍大桥河段潮大流急,是涌潮发展、壮大的河段,设计流速预测准确与否关系到桥梁工程施工和运行的安全,应用数学模型来预测设计流速是有效途径之一。应用基于Boltzmann方程的KFVS（Kinetic Flux Vector Spiting）格式,采用WLTF（Water Levelbottom Topograph Formulation）方法和特殊的底坡源项处理技术,实现了计算格式的“和谐”。模型在钱塘江涌潮验证的基础上,求得0．33％设计潮差频率条件下的桥位断面设计涨潮流速为7．83m／s,为桥梁设计提供了重要参数。     

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.     

波状水跃和波状涌潮的分析

推导了涌潮中尺度方程，并利用此方程，分析水跃和涌潮的性质，对于水跃和涌潮，色散与耗散两种效应强弱的价值依赖于Ｆｒｏｕｄｅ数的函数，存在着两个临界值，当跃前Ｆｒｏｕｄｅ数大于第一个临界值时，水跃和涌潮从单调形态转化为波动形态，随后，波陡随Ｆｒｏｕｄｅ数增大，当Ｆｒｏｕｄｅ数大于第二个临界值时，自由表面破碎，波状涌潮转化为强涌潮，对于涌潮，绝对流速，即落潮流速，对色散波的周期，波长与振幅也有影响。数值     

基于定点连续观测的钱塘江涌潮特性研究

本文基于天文大潮期间钱塘江涌潮河段定点连续实测的最新资料,对钱塘江涌潮的潮位、潮流、盐度和浊度等特性参数进行分析研究。潮位、平均流速、垂向分层流速和盐度、浊度变化数据表明:涨落潮期间该河段的潮位呈双峰变化过程,涌潮抵达时水位骤然升高,之后下降,约40.0 min后,水位再次开始升高至高潮位,涌潮到达约3.5 h之后逐渐变为憩流;涌潮Fr为1.10,涌潮形态呈现为波状涌潮且水波较弱。涌潮到达瞬间,流场整体发生转向,流速大于涌潮前流速,且底层流速增大幅度大于表、中层,流速分层不明显。盐度在涌潮到达后约40.0 min后开始明显增大,与流速的改变相比存在一定的滞后,主要因为潮流入侵引起盐度增加。底层浊度随涌潮的到达而同步升高,主要是涌潮导致流场剧烈变化,引起床面冲刷和大量细颗粒泥沙悬浮;之后,浊度随涨潮流减弱而逐渐减小,憩流时达到最小,而后随着流速转向及退潮流增大而再次增大。该研究为钱塘江涌潮特性分析和钱塘江取水及岸滩冲淤防护等工程提供了科学依据。     

涌潮作用下护滩块石起动研究

采用理论分析与试验研究相结合的方法,首先从理论上分析涌潮运动要素之间的关系,然后根据起动临界状态时的力学平衡条件,推导出涌潮作用下护滩块石稳定计算的结构公式。在公式中采用涌潮相对（滩地水深）高度表示其对护滩块石的动力作用,同时考虑了滩地水深对护滩块石稳定性的影响。在涌潮水槽试验中,进行了护滩块石在涌潮作用下的起动试验研究,验证了文中提出的块石稳定粒径计算公式的正确性,并根据试验结果率定了公式中的待定系数。     

建桥对钱塘江涌潮高度影响的试验研究

采用潮浪水槽和定床模型进行建桥对钱塘江涌潮高度影响的试验,结果表明涌潮高度的减小幅度与桥墩的阻水率成正比,因此为了保护涌潮的景观,在满足桥梁结构强度和安全的前提下,应尽量减小桥墩的阻水率.     

考虑涌潮作用的钱塘江二维泥沙输移数值模拟

钱塘江涌潮前后水位、流速和含沙量等物理量存在突变,给数值模拟带来了很大的困难,常规的数值模型往往不能准确模拟涌潮作用下的泥沙输移。在已建立的二维涌潮数值模型的基础上,应用基于准确Riemann解的Godunov格式建立了二维泥沙数值模型,模型首先检验了纯对流问题,然后模拟了钱塘江涌潮作用下的泥沙输移,计算结果反映了涌潮到达时刻含沙量的突变过程以及涌潮对泥沙输移的影响,揭示了钱塘江河口高含沙区的成因,以及涌潮是钱塘江河口大冲大淤的机理之一。     

涌潮水槽全自动化测控系统开发及应用

由于传统涌潮水槽测控系统涉及仪器多、采样频率高、数据量大、涌潮控制与数据测量分离,需要采用多台计算机工作,影响到了数据测控的同步性。基于一体化测控思想,将涌潮水系统涉及的通讯接口全部换为RS485,建立统一规范的通讯网络。开发了涌潮水槽全自动一体化测控系统,实现了涌潮实验与数据测控的同步,解决了涌潮流速、水位快速变化过程中数据同步采集与坐标定位等问题。实例应用表明,新开发的系统测试结果与实际情况相符,并可推广至水流、泥沙及波浪等其它水槽实验中。     

长江口北支涌潮现状分析

近年来,长江口北支中段新村沙整治和海门中下段围垦等工程的实施,使北支河宽不断缩窄,边界条件发生了变化,径潮流动力条件也随之发生变化。为了解近期北支涌潮的特性,采用自记潮位仪采集潮位数据、人工岸边观测潮头、抛设浮标观测流速以及快艇迎潮头(潮头追快艇)的形式观测涌潮。结果表明:涌潮主要发生在浅滩区域,包括青龙港上游及崇海汽渡上游浅滩处,涌潮高度分别约为0.63 m和0.74 m,在灵甸沙至崇海汽渡上游浅滩仍然存在一线潮现象。掌握涌潮生成、增强、衰弱及消失的大概位置,分析涌潮成因、形态和特点,能够为深入研究北支中上段河床冲淤变化与其特殊水动力条件间的相互作用机理提供基础资料,进而为稳定北支河势、合理开发利用北支航道提供技术支撑。