基于河道平面变形数值模拟的等效造槽流量计算方法

针对河岸崩塌剧烈、河道平面变形特征显著的冲积河流,从河岸变形角度提出等效造槽流量(造床流量)的计算方法.以等效造槽流量作为计算条件,成功应用于下荆江石首河段平面变形的三维水沙数值模拟中,结果表明:采用等效造槽流量近似天然水沙过程,能较好地模拟出时段内河道的显著平面变形特征,与天然来水来沙过程模拟结果较接近;采用等效造槽流量作为计算条件时,其最大优势在于节省计算用时,提高计算效率,为长河段、长历时的河势模拟研究提供了一有效途径.     

漫滩洪水中不同房屋分布的阻力特性研究

漫滩洪水是威胁滩区居民生命财产安全的一种主要自然灾害,村庄等微地貌直接影响洪水演进过程,故采用概化物理模型和数值模拟的方法研究滩区房屋分布的阻力特性。以黄河下游兰考东明滩区地形为参考,修建概化滩区的物理模型,研究主槽4种不同进口流量下,房屋呈4种不同排列方式及4种迎流角度条件下,房屋试验区水流的变化情况。试验结果显示随主槽进口的流量增大,房屋试验区四周的水深呈非线性增加;房屋试验区房屋呈不同排列方式时,模型试验区形成的局部阻力不同。然后采用数学模型计算典型工况的洪水演进过程,水位的计算值与实测值符合较好,模型具有较好的计算精度。最后采用加大糙率法计算溃堤水流演进过程,发现以曼宁系数取0.05、0.08、0.12和0.16分别代表房屋以3×3、4×4、5×5及交错排列情况下的综合阻力时,计算得到水深、水跃位置与模型试验结果基本一致。研究结果将为房屋合理布局,减少漫滩洪水淹没损失提供参考依据,亦可用于检验水动力学模型的计算精度。     

黄河下游河道“二级悬河”演变趋势的数值模拟研究

本文建立了研究黄河下游"二级悬河"发展的平面二维水沙数学模型,根据悬河可能演变趋势确定计算边界条件.采用Laplace方程,按最大梯度原则对滩区地形进行了连续性处理.通过平面二维水沙数值模拟,研究了"二级悬差"对洪水演进、滩槽水流结构以及顺堤行洪的影响.分析表明二级悬差增加会引起堤沟河分流比明显增大,东坝头至高村河段"二级悬差"的临界控制条件为:不能超过现状悬差0.5m,否则滩槽分流比、沟槽分流比等因素将会随悬差增长发生很大变化.不同治理方案的模拟成果分析表明,采用"增强主槽过流能力"和"堤沟河治理"相结合的方法可以改善"二级悬河"状况.     

宽尾墩后接阶梯溢流坝面水工设施的研究

将宽尾墩安置在阶梯溢流坝上游形成一种新的水工设施,它兼有宽尾墩和阶梯溢流坝面的特点,比纯阶梯坝单宽流量可增大数倍。由于在阶梯面与挑射水流之间形成气体空腔,可实现充分掺气。本文对其进行了数值模拟,采用了双孔方案。虽然网格数增加了一倍,但比单孔而言流场更加完整。通过数值模拟得到的墩后水翅、阶梯面挑射水舌和掺气腔体等,与实验观测到的现象吻合。介绍了复杂水工建筑物的网格生成方法。本文的研究成果可以为设计提供参考依据。     

基于格子玻尔兹曼方法的流域汇流数值模型

本文利用Lattice Boltzmann Method方法分析了坡面水流和河道水流运动方程圣维南方程的特点,提出了流域汇流过程的LBM数值模型,此模型在汇流过程中将地貌因素与水动力扩散相结合以描述坡面水流运动,很好解决了坡面水流的流量分配问题。利用此模型生成的单位线对抚河南城流域14场洪水进行了汇流计算,结果表明所提出的汇流模型用于流域汇流计算具有较好的精度。本研究对于分析坡面水流运动、汇流机制、土壤侵蚀、泥沙输移等诸多领域,具有重要的理论意义。     

多层多股水平淹没射流的消能研究

采用三维数值模拟,研究了多股多层水平淹没射流的流动特性、漩涡结构和消能机理。利用水工模型试验,研究了影响其水力特性的主要因素。研究结果表明:多股多层淹没射流利用在射流轴线周围所形成的强剪切、三维立体漩滚的剧烈混掺来实现消能,消能率较高,且在平面上没有形成明显的、贯穿的立轴漩涡。结合模型实验,提出中孔泄槽以等宽或微收缩为宜、表中孔最优坎高差应大于中孔水流的主流水深等建议。     

赣江下游水动力数值模拟研究

赣江下游受江湖关系顶托影响,水流运动极为复杂,水位流量关系年际变化显著。通过建立正交曲线坐标系平面二维浅水方程ELADI（Eulerian-Lagrangian alternating direction implicit method）有限差分方法的水动力模型对赣江河流下游进行了水位,流速与东西河分流比验证和连续十年的分流比模拟,分析了水位流量关系和分流比的变化特征。模拟与分析结果表明,模型高效稳定,计算结果与实测资料吻合良好,可用于河流水动力的数值模拟与预测。     

“M”形台阶溢洪道的消能特性

随着单宽流量的增大,台阶式溢洪道的消能率逐渐降低,在大单宽流量下工程运行存在诸多问题。前人对台阶式溢洪道的研究重点多集中在台阶的尺寸、布置形式、流态等问题上,很少研究台阶本身的形式。为解决大单宽流量下台阶溢洪道的运行难题,提出了台阶形状在平面上呈"M"形的台阶溢洪道,并采用模型试验和三维紊流数值模拟的方法对比研究了"M"形台阶溢洪道和传统矩形台阶溢洪道的消能特性。研究结果表明:在较大单宽流量下,"M"形台阶溢洪道较传统的矩形台阶溢洪道掺气更充分,台阶面上负压区很小,台阶面上形成多种尺度的漩涡,水流为三元流态,消能率更高。研究成果可供工程设计和运行参考。     

七弓岭弯道颈口裁弯条件及其对城陵矶水位影响

下荆江与东洞庭湖交汇段的七弓岭弯道,其颈口宽度已远小于河道宽度,而且三峡水库蓄水后清水冲刷河岸,加速颈口河道缩窄,存在漫滩冲刷或崩岸贯穿作用下颈口裁弯的可能性,故研究七弓岭弯道的颈口裁弯临界条件较为迫切。采用水文资料、地形数据和MIKE21水动力模型,建立七弓岭弯道上下游（监利-螺山）的二维水动力学模型,在不同流量和颈口设置不同深度的浅槽条件下,开展颈口裁弯前后的河道水动力数值模拟,分析七弓岭弯道颈口裁弯条件和预测七弓岭裁弯对城陵矶水位的影响。研究表明,七弓岭颈口可能在高水位条件下发生冲切型裁弯和较窄颈口宽度条件下发生崩岸型裁弯,裁弯将导致城陵矶水位至少增加0.3 m,这主要是七弓岭下游的洞庭湖入汇长江对七弓岭弯道水位的顶托作用,而且在不同强弱顶托作用下裁弯后新河道与老河道的分流量差值小于上游来流量的1%。     

隐极同步电动机冷却空气流场特性研究

为了研究在相应通风道结构下某变频调速隐极同步电动机冷却空气流场的特点,建立了包括定子和转子风道的电机1/8结构的三维流场物理模型,基于有限体积法,对三维湍流流动控制方程进行数值求解,得到了两种额定转速时电机内各部分空气流速、空气流量分布的特点。结果表明,在计算条件下,转子转速分别为3120r/min、4800r/min时,定子部分流过定子端部、压指间、定子铁心段径向通风沟及转子部分的冷却空气流量分配百分比基本不变,转子端部未布置补风口的3号槽与布置补风口的6号槽冷却风量较小。所得结论可为通风道结构设计提供参考。     

长江源典型辫状河道边滩变化及与径流量的关系

长江源宽谷辫状河道宽达1 ~ 3 km,河道两侧广泛分布边滩,其边滩形态受径流量变化的影响较大。结合Landsat遥感影像与水文数据,对长江源辫状河道内的边滩形态进行对比分析,发现边滩可分为稳定边滩、亚稳定边滩和活动边滩。定义边滩变化百分比为活动边滩短时间内的冲淤程度,活动边滩在枯水期发生冲刷的边滩变化最大百分比为80%,发生淤积的边滩变化最大百分比为300%。影响活动边滩变化的因子包括径流量及高水位水流持续时间。边滩面积的骤减是由于洪水期漫滩水流在边滩上冲刷并形成新汊道,水流沿新汊道的冲刷与切割作用促使原边滩分离成新边滩和新沙洲;枯水期汊道水位下降并且发生淤积,沙洲与边滩合并使边滩面积骤增,导致边滩变化百分比剧烈增加。     

长江梯级水库下游重点滩段河势及航道条件变化

长江上游特大型梯级水库运行后坝下游水沙条件将显著变化,对下游河势和航道条件产生影响。本文建立了向家坝下游水富至泸州(水泸段)二维水沙数学模型,在验证的基础上,计算分析了向家坝、溪洛渡水库运行后向家坝下游河段泥沙冲淤时空变化规律,研究了重点滩段河势变化及对航道的影响。研究表明,上游梯级枢纽运行后,向家坝下游河道总体呈冲刷态势,弯曲河段水流趋直但仍保持弯曲河型,分汉河段支汉水浩萎缩,主槽冲深,这对增加过渡段浅滩航深有利,但局部产生淤积,造成新的浅段;边滩淤积,滩槽高差加大,加剧局部不良流态,急流浅滩的航行条件有恶化趋势。     

特约文章：三峡水库下游河床冲刷与水位变化

为探析三峡水库下游河床冲淤与水沙输移之间的关系以及河床冲淤对洪枯水位的影响,采用三峡水库运用前后长江中下游水文泥沙和河道地形资料,分析归纳了主要水文站水沙变化、沿程河道冲淤分布和洪枯水位变化特征。研究表明：冲刷集中于枯水河槽既与洪水频次减少、中等流量持续时间加长有关,也与中等流量下河道冲刷率大、洪水流量下河道冲刷率小的特点有关;主冲刷带自上而下推移,目前仍位于荆江河段;粗沙（d > 0.125 mm）的年均输移量至监利基本可恢复至蓄水前的多年均值,城陵矶以下长河段冲刷主要是细颗粒冲刷导致;河道冲刷导致中枯水位明显下降,并在城陵矶以上沙质河段呈现加速下降趋势,但当流量大于平滩流量附近的临界值时,高水位变化不大,初步预估这种变化特点将在较长时期内保持。     

美国迈卡伦湿地河流主槽-洪泛区水力连通特征

基于先进的Ad H水动力学计算模型,以美国内华达州塔基河迈卡伦研究域为例,从主槽-洪泛区系统的流场特性、不同河道形态下的跨界流量分布以及粒子在系统内运动传输规律三个方面,详尽地分析洪水过程下主槽与洪泛区之间的水力交互连通关系。研究结果表明,在洪峰流量期间,有接近60%的洪峰流量从洪泛区经过,约为主槽流量的1.52倍;主槽-洪泛区之间的跨界流量交换方向和量级受到河流形态和洪峰流量的共同影响;粒子示踪统计结果表明绝大数(85%)粒子能够至少一次穿过河流边界,揭示出主槽和洪泛区之间存在较强的水体交换,此外,粒子运动轨迹和停留时间分布特点反映主槽-洪泛区系统水力交互关系具有较强的时空分异特性。     

流场尺寸对质子交换膜燃料电池性能的影响

流场的形状和尺寸是设计双极板的核心。合理的流场既要确保电极各处均能获得充足的反应剂供应,同时又要保证反应产物水的排出。研究了不同流场尺寸对质子交换膜燃料电池性能的影响。实验结果表明:在一定范围内,随着开孔率的增加,电极与流场本相及接触电阻也逐渐增加;开孔率相近时,这一电阻相差不大。在相同开孔率的情况下,沟槽尺寸越小,电池性能越好。     

黄河口尾闾河道近40年河床断面及平面形态调整特点

清水沟改道及龙羊峡、小浪底水库运用后，黄河口尾闾河道的河床形态发生了显著调整。黄河口尾闾河道河床调整过程总体分为四个阶段，分别为：1976—1980年淤滩成槽阶段，1980—1984年单股入海阶段，1984-1999年主槽萎缩阶段，1999—2016年河床冲刷阶段。研究发现：清水沟改道初期，河床平面形态宽浅散乱，河口迅速延伸，河长从75.1 km增加到93.2 km。1980年后，河道逐渐形成单一顺直的河型，入海口逐渐南偏，河口延伸速率减小。1984—1999年，主槽萎缩严重，平滩面积减小了61%；深泓摆动剧烈，其摆动距离及强度分别为102 m及0.17。小浪底水库运用后，河床剧烈冲刷，平滩水深增加了41%；深泓摆动幅度减小，其摆动距离及强度分别减小至37 m及0.09。此外还建立了1999年后平滩形态参数及深泓摆动强度与前4年汛期平均水流冲刷强度的经验关系，一定条件下可用于反演河床形态随水沙条件的调整过程。     

基于电磁转矩复解析小波变换的感应电机转子故障检测

提出一种运用电磁转矩信号对感应电机转子断条故障进行检测的新方法.当感应电机转子发生断条故障时,转子绕组的不对称将会使电磁转矩中引入2s同步速的脉动转矩(s为转差率).对电机起动电磁转矩信号进行复值小波变换,根据分析小波在特定中心频率条件时信号瞬时频率与其对应小波脊线的关系,提取出故障特征转矩频率变化规律,实现转子故障的可靠检测.同时,对应尺度上小波系数的模值还能够反映该故障特征转矩在电机起动过程中的幅值变化规律,将其作为故障严重程度指标则可以进一步判断转子断条根数.实验结果证明了该方法的有效性.     

联合灰度阈值分割及轮廓形态识别的河道提取

在合成孔径雷达(SAR)所获取的遥感图像中,河道区域由于其中水介质的电磁波反射率较低,在图像中呈现灰度低且灰度起伏小的特征。此外,河道区域由于水流的冲击作用,也具有显著的条带状轮廓形态特征。鉴于河道的这2种特征,联合灰度阈值分割及轮廓形态识别方法,采用多级分割策略,实现对河道区域的准确提取。实验结果证明,与经典的Otsu灰度阈值分割及其多种改进方法相比,多级分割方法能够更好的提取河道区域轮廓,且漏警率和虚警率均较低。     

冲积河流河型的成因及分类与判别计算方法研究

本文建立的冲积河流河型成因的输沙平衡程度概念认为,不同冲积河流河型形成的根本原因在于其输沙平衡程度的不同。根据强平衡输沙概念,建立了冲积河流稳定程度公式。利用黄河、渭河和汉江部分资料进行的初步计算表明,根据河型成因的输沙平衡程度概念,基于冲积河流稳定程度公式,采用模糊聚类方法,可以建立一套完整的河型分类与判别的模糊聚类计算方法。     

明槽交汇区污染物浓度场分布规律研究

明槽交汇水流存在于很多水力系统中，交汇区水流结构十分复杂，对干、支流交汇浓度场的研究具有重要意义。本文采用能突破空间单点流速测量局限的PIV技术，观测在不同交汇角及污染物浓度等条件下非对称型交汇明槽的污染物扩散情况，分析污染物浓度场的分布规律。试验结果表明，支槽来水刚汇入主槽水体时，交汇区的表层污染物的扩散较其他水平面更为均匀，但随着两种水体不断混合，其他水平面的污染物比表层污染物混合得更加均匀。交汇角越小，使得支流中污染物进入主流后在交汇口下游支流侧形成较长的污染带；相反交汇角越大，形成的污染带在横向偏移上越突出；污染物浓度越大也会使得污染带变长。污染物浓度的变化对混合层的位置及宽度影响较大。PIV技术能良好地观测交汇区污染物扩散规律，可应用于明槽交汇区的浓度场试验研究。