无粘沙质床面上冲积性河湾形成和演变规律自然模型试验研究

基于雷诺方程和有限体积法建立了描述弯道水流运动的三维数学模型,并利用室内物理模型试验进行验证,验证结果表明,数学模型能够较好地模拟弯道内水流的流速分布以及湍流特征。以验证后的模型为工具,对具有不同平面形态和床面形态的弯道中的水流运动进行了模拟,模拟结果表明：弯道中浅滩和深槽相间的地形起伏加剧了断面流速分布的不均匀性,同时使得水流动力轴线更加偏向凹岸,流速的沿程变化也较平整床面更为复杂;另外,与对称型河弯（正弦派生曲线型）相比,非对称河弯（Kinoshita派生曲线型）中在两弯顶中间存在较多的低流速区,有利于泥沙的落淤,而对岸流速一般较大,形成河岸的快速崩退,这能够从一个侧面解释非对称河弯向下游方向整体的快速迁移。     

弯曲河道立堵截流龙口水力特性分析

弯曲河道中截流水流运动规律极为复杂,弯道边界形态和立堵截流布置方式的不同对截流难度均有很大的影响,对弯道中立堵截流龙口水力特性进行分析,有助于了解复杂的水流流态并选择合适的截流方案。本文考虑弯曲河道截流的主要影响因素,以施工水力学为基础,建立弯道截流龙口水流流态和堤头局部水力特性的计算模型,分析弯道相对河宽、弯道弯角和龙口位置对水深和流速变化的影响。分析结果表明弯道截流龙口流速变化有显著的时变差异和位变差异,并给出了龙口相对水深和堤头局部流速随弯道形态的变化关系。最后结合大渡河丹巴水电站河湾上截流的工程案例分析比较,验证了计算模型的可行性和分析结果的适用性,为河湾中截流方案及其截流施工布置型式的选择提供了理论依据。     

天然分汊河流的平面二维数值模拟

利用边界拟合坐标变换系统下的计算区域分解－组合处理技术、支流耦合迭代计算方法、支流迭合对接型坐标变换网格与非对接型流网正交坐标系统等新思想建立了适应很复杂河道情况与水力条件的平面二维天然分汉河流的流场与浓度场的数学模型．并通过计算实例验证了模型在工程中应用的可靠性与有效性．     

无黏性沙质床面上冲积河湾形成和演变规律自然模型试验研究

采用无黏性中粗沙进行河流演变的自然模型试验,通过调整流量、初始河道形态等在室内模型河流中进行河湾塑造的尝试,分析冲积河流河道展宽规律,另外对典型河湾的演变规律进行试验研究。研究表明,河道的横向稳定性是河湾发育的重要条件,试验中泥沙抗冲能力的低弱使得河岸的稳定性难以保持,致使河流向分汉、游荡和辫状河型的方向发展;河岸后退的方式不但与河岸土体抗冲能力有关,而且与当地河道水动力特性和河岸坡降等因素有关;河道展宽速率反映了河流断面与水流条件不相协调的程度,随时间呈指数下降趋势,河流横断面演变所需的时间尺度远小于横向摆动所需的时间尺度;典型的河湾形态以局部扰动引起河岸失稳的方式横向发展。     

泄水建筑物下游冲刷坑二维数值模拟

对巨亭水电站泄水建筑物下游局部冲刷过程进行了二维数值模拟。采用RNG k-ε湍流模型封闭N-S方程、有限体积法在计算网格上离散求解、VOF方法追踪自由水面;采用C语言编写用户自定义函数,以泥沙起动切应力作为床面泥沙起动判别标准,通过分析比较水流剪切力与泥沙起动切应力大小,用以控制冲刷坑底部边界变化;采用局部重构模型和弹簧光顺模型更新计算区域和网格质量,藉以模拟和追踪局部冲刷坑边界变化。研究表明,模拟结果与实测资料符合良好。在冲刷坑的冲刷过程中,床面剪切应力随着冲刷的进程急剧减小,湍动能随着冲刷的进程减小缓慢;床面剪切应力和湍动能沿程变化均较为剧烈,床面剪切应力沿程先增大后减小,床面湍动能则沿程减小。冲刷坑的纵向平衡形态或床面泥沙起动主要决定于床面剪切应力,床面湍动能对泥沙起动也具有重要影响。     

河道形态改造对城市河流生态水力性能的影响

为探究城市河道形态改造的有效性,根据河道自然修复理念,采用正弦函数对典型城市渠化河道的河宽、水深和蜿蜒度等地形几何变量进行振荡波动,并借助数字河道合成技术生成6种河道数字地形模型,在此基础上采用二维水动力模型考察不同河道形态改造对河床干扰度、水力形态多样性指数和浅滩缓流生境面积等生态水力指标的影响。结果表明：研究河段城市渠化河道生态水力性能随地形几何变量的振荡波动而变化,且河道空间形态越复杂,河道生态水力性能越好;在高流量(8～12 m³/s)下,“深潭-浅滩”形态构造下河床干扰度平均减少88.2%,水力形态多样性指数平均提高37.4%,而浅滩缓流生境面积增加24.9倍,表明河流生态水力性能得到显著改善;城市河道近自然形态重构能大幅降低河道对于流量变化的敏感性,并显著提高河道生态结构稳定性,有助于河流生态系统的恢复。     

河道束窄段对上游洪水过程特性的影响

为了研究束窄河段对洪水演进过程特征的影响,采用二维全水动力模型GAST模拟了束窄段河道洪水过程,通过理想河道和灞河上游实际河道分析了河道束窄程度与洪水特性间的定量关系。结果表明：束窄断面形状对洪水过程特征中水深、流速影响的大小依次为V形>U形>梯形>矩形。断面形状相同时,束窄程度越大对水深和流速影响越大。河道束窄段上游水位壅高,下游水位相对降低但流速更大。扩宽河道束窄段可以降低上游水位及上下游流速差。在“8·19”洪水下,灞河束窄河段束窄程度降低时(原河道束窄程度为64.4%,河道疏浚后束窄程度分别为55.6%、46.7%、37.8%),上游最大水深分别减小0.669、0.985和1.066 m,上下游流速差分别减小0.702、1.592、2.550 m/s。洪量越大则河道水位越高、流速越大,束窄程度变化对水位和流速变化的影响也越大。将“8·19”洪水进行缩放入流情况下,原始河道最大水深分别为2.177、2.778、3.618 m,束窄程度为37.8%时最大水深减小至1.866、2.367、3.175 m。通过分析不同束窄程度的束窄段河道洪水过程特性,可为束窄段河道防...     

斑状糙率在多桥渡河道简化水力计算中的应用

针对多斜交桥渡对河道水力计算的局部影响,提出了一种简便的综合糙率赋值方法——斑状糙率法。并结合河道二维水流数值模拟和工程实例计算,验证了此方法的可行性和计算网格不需局部加密的优越性,并在实际的水力数值计算中得以简化,为多斜交桥渡河道防洪设计提供了一种快捷的评价方法。     

码头和取水口建设对防洪影响的计算与分析

通过采用河道平面二维水流数学模型对襄樊河段水流运动以及襄樊电厂二期工程大件码头及取水口工程对防洪的影响进行了数值模拟计算。结果表明：工程修建后上游河段最大壅水高度约0．02m，最大壅水长度约为630m，水流流态及水流流速分布无明显变化，对防洪影响不大。     

Comprehensive two-dimensional river ice model based on boundary-fitted coordinate transformation method简

River ice is a natural phenomenon in cold regions, influenced by meteorology, geomorphology, and hydraulic conditions. River ice processes involve complex interactions between hydrodynamic, mechanical, and thermal processes, and they are also influenced by weather and hydrologic conditions. Because natural rivers are serpentine, with bends, narrows, and straight reaches, the commonly-used one-dimensional river ice models and two-dimensional models based on the rectangular Cartesian coordinates are incapable of simulating the physical phenomena accurately. In order to accurately simulate the complicated river geometry and overcome the difficulties of numerical simulation resulting from both complex boundaries and differences between length and width scales, a two-dimensional river ice numerical model based on a boundary-fitted coordinate transformation method was developed. The presented model considers the influence of the frazil ice accumulation under ice cover and the shape of the leading edge of ice cover during the freezing process. The model is capable of determining the velocity field, the distribution of water temperature, the concentration distribution of frazil ice, the transport of floating ice, the progression, stability, and thawing of ice cover, and the transport, accumulation, and erosion of ice under ice cover. A MacCormack scheme was used to solve the equations numerically. The model was validated with field observations from the Hequ Reach of the Yellow River. Comparison of simulation results with field data indicates that the model is capable of simulating the river ice process with high accuracy.     

Hydrodynamic modelling study of a fish exclusion system for a river diversion

River diversions are often equipped with some device to exclude fish, such as fish screens. Flow pattern changes due to fish screen systems were investigated using a three‐dimensional numerical model solving the Reynolds‐averaged Navier‐Stokes (RANS) equations. A porous media obstacle, which is commonly used for ground water flow modelling, was employed to model a fish screen. Fish screens require a velocity component perpendicular to the screen (approach velocity), allowing for water diversion. Meanwhile, it is imperative that this velocity not result in pinning fish to the screen but allowing for fish to be guided to a different location. Thus the ratio of sweeping velocity to approach velocity (V_R) is an important criterion in fish screen design. 20:1 V_R and 10:1 V_R models were tested under high and low flow rates in this study. Screen head loss coefficients for various wire Reynolds numbers were compared with laboratory model measurements to verify the mathematical results. Two different screen types were simulated: perforated plate and wedged wire. Altering global porosity and local permeability of a porous obstacle results in flow direction changes that effectively simulate different screen materials in the numerical model. Model simulations of head loss coefficients and velocity ratios showed good agreement with the laboratory model measurements. The wedged wire allows for more control of the velocity ratio along the screen system than the perforated plate. Baffles installed behind each fish screen bay promote uniform flow distribution along the screen. The porous media obstacle assumption is shown to effectively simulate the hydraulics of various configurations of fish screens at river diversion channels. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

感潮平原河网水流水质计算模型应用研究

根据平原河网在不同水文时期关注的目标,应用建立的水流水质计算模型,对研究区历史发生的5场洪水水流进行了验证,并对现状枯水期水流和水质进行了计算。结果表明,模型对洪水水流预报和枯水水流及水质计算都能达到较高的精度。通过研究区河网水环境现状验证,提出了枯水期相应的水质改善方案,为地区河网水资源的综合利用及水环境管理提供了决策依据。     

水量调度对平原河网能量影响分析

平原河网水动力条件相对较差,水质问题较为突出,为改善平原河网地区水环境状况,选取江苏省无锡市滨湖河网2018年洪季和枯季19个断面水文水质监测数据,基于MIKE21滨湖河网水动力-水质模型及Python能量计算模型,探究能量耗散规律以及能量、水质间的关系,并确定最佳调水流量区间。结果表明：滨湖河网水质浓度与河流能量显著负相关;一定调水流量的增加使得河流总能量随之上升,能量到达阈值后,随调水流量的上升,河流总能量呈降低趋势;在能量目标层面上优选引调水方案,能有效协调引调水过程中存在的异质性因素,确定逐日最佳调水流量区间及河网总能量最佳区间,提供流量优化调控方案,保障平原河网水动力与水环境条件。     

生态河道种植圈对水流水力特性的影响

采用三维超声波多普勒测速仪对河道生态修复中种植圈布设前后的工况量测,比较了布设种植圈前后的流速分布、紊动强度和雷诺应力的变化．结果表明,布设种植圈后,纵向流速分布波动明显,相对紊动强度和雷诺应力均略有增加．     

阶梯溢洪道水力特性试验及数值模拟

通过对阶梯溢洪道进行模型试验研究,验证了侧堰的过流能力,研究了典型断面流速、压力及水深在不同工况下的变化规律。试验结果表明:侧堰的过流能力满足设计要求,在各工况下,水深小于边墙设计高度,阶梯段各点空化数小于初生空化数,不会引起空蚀破化。根据原设计方案使用FLUENT对阶梯溢洪道进行数值模拟实验,并将数值模拟计算结果与模型试验结果进行对比分析,发现数值模拟计算结果与物理模型试验结果吻合良好,为深入分析阶梯溢洪道陡坡流场提供可能,同时,为体型结构优化提供技术保障。     

尾闾河段的数值模拟研究

尾闾河段是否畅通，直接关系到河流能否安全泄洪、排沥，是水利部门十分关注的问题。本文阐述了采用一、二维耦合数学模型进行尾闾河段洪水与潮波的模拟的基本理论，对耦合模型的交界面条件及耦合方式进行了详细说明，并以某河尾闾段为例建立一、二维耦合模型。一维数学模型研究计算的范围为河口区上游的河段，平面二维数学模型研究计算的范围为近挡潮闸河段以及至河口外近海区域。模型以历史洪水和实测潮波分别进行了验证，计算结果与观测结果吻合良好，表明耦合模型可以较好地反映模拟河段及近海区的洪水与潮汐特性，解决河流尾闾段的水力模拟计算。     

基于冲蚀耦合动网格方法的摇臂式喷灌喷头冲蚀变形数值模拟研究

喷灌喷头长期冲蚀磨损引起的喷嘴结构变形是影响其水力性能的主要原因之一。为了探究喷头的冲蚀变形及变形对其水力性能的影响规律,基于冲蚀耦合动网格方法以PY1-20sh型喷头为研究对象,利用标准k-ε湍流模型与Generic冲蚀模型建立喷头固-液两相流数值模型,针对3组不同水流含沙量工况开展喷头运行160 h内的冲蚀变形数值模拟研究。结果表明：喷头的冲蚀磨损主要发生在主喷嘴处,持续地冲蚀磨损使其质量减小,主喷嘴冲蚀变形表现为管壁向外不均匀扩张使得出口直径增大,变形程度与喷头运行时长及水流含沙量均呈正相关,变形速率随运行时间的延长而减缓,形状系数变大说明出口断面逐渐偏离圆形。喷头水力性能的变化表现为冲蚀变形使出口流量增加但流量系数减小,且由理论分析发现喷头射程随运行时长逐渐缩短,末端水滴直径逐渐减小但变化幅度不大。研究结果可为喷头的合理使用与结构设计提供参考依据。     

水力插板透水丁坝在新疆多沙河流上优越性的初步研究

在前人对透水丁坝和水力插板研究的基础上,首次提出将透水丁坝与水力插板技术相结合,形成水力插板透水丁坝新型护岸结构。通过运用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件对水力插板透水丁坝与水力插板实体丁坝、井柱桩透水丁坝的水力特性进行数值模拟比较分析。结果表明:水力插板透水丁坝通过调水调沙的作用在自身防护和保护堤岸两方面均优于水力插板实体丁坝;水力插板透水丁坝比井柱状透水丁坝在缓流促淤、保岸护堤方面效果更好。     

闸控感潮河段重金属迁移转化规律研究

以长江感潮江段的某入江河道为典型案例,根据闸控条件下的水文特征、污染物迁移转化特性分别建立了由入江河道及长江相关河段构成的动态二维水动力及重金属数学模型,模拟分析了闸门控制下入江河道的水流运动规律、点源连续排放的重金属浓度随时间变化及二维平面分布特征。模拟结果表明:在长江潮汐、水闸控制影响下,入江河道内重金属浓度在一定范围内呈现周期性波动的现象,重金属浓度整体呈增大趋势,随着污水排放时间的推移,河道内各断面处重金属浓度最大值和波动区间均趋于稳定;典型超周期内,河道内落潮流污染带长度大于涨潮流。重金属在潮汐河道内的变化是一个非常复杂的过程,对这一过程的模拟,可以为河道水质治理和污染防治提供技术依据。     

配水枢纽水力控制的仿真研究

配水枢纽是长距离调水工程和大中型灌区中一种常见的水工建筑物,是连接引水工程和配水工程的中枢。若配水枢纽库容足够大,可视为常水位边界,引水工程和配水工程的水力过渡过程分别计算;否则,需要耦合引水工程、配水枢纽和配水工程,对整个输水系统进行数值仿真。本文通过理论分析构建了配水枢纽进流、出流、溢流复杂运行条件下的质量和能量守恒方程,给出了牛顿－辛普森离散方法和基于Preissmann四点隐式差分的计算程序,建立了配水枢纽的理论模型;针对可能碰到的多进水、多出水、有压无压耦合等工况,给出了数值求解方法。以引汉济渭工程黄池沟配水枢纽作为典型案例,研究了南干线和北干线配水流量调节的水力过渡过程,给出了黄池沟、南干线、北干线的流量、水位变化,以及越岭隧洞的影响范围及变化量值,可为工程的运行调度提供参考。