冰盖下水流流动的掺混特性

本文采用κ-ε紊流模型建立了冰盖流及物质输移的垂向二维数值模型，对封冻河道水流的垂向掺混特性及水中冰在冰盖下的输移规律进行了研究。研究结果表明，冰盖下水流纵向流速在流动核心部分较为均匀，并不遵循对数分布规律；沿水深水流紊动粘性系数并没有出现为零现象，并当上下边壁粗糙相近时，在水深中部达到最大：位于不同水深位置的水中冰进入封冻河道时，在冰盖下有不同的输移规律，水深中部水中冰的最大浓度值降低速率及扩散范围相对较大。研究结果揭示了冰盖对水流流动及垂向掺混的影响。     

交汇河道水沙运动与河床响应研究进展

汇流是平原河网常见的河道形态,河网交汇处伴随着水流、含沙量、地形、水温、生态和环境等的突变,是控制水、沙、污染物输移的重要节点,因此了解汇流处水、沙等物质输移和特殊床面形态对日益恶化的河网水环境的综合治理有非常重要的理论和实际意义。笔者主要从交汇河道的特殊水流结构、泥沙运动规律以及河床对水沙运动的响应分别进行概述和总结,提出了目前交汇河道研究中存在的一些问题,并对交汇河道水沙运动与河床响应研究的研究方向提出了展望。     

溃坝水流作用下急弯河道泥沙输移数值模拟

将有限元特征分裂算法(CBS)应用于二维浅水控制方程的求解中,建立了模拟溃坝水流泥沙输移的数学模型。CBS算法在计算对流主导的问题时具有很好的稳定性与较高的精度,适用于处理溃坝水流流速大,水位、床面变化剧烈等问题。应用该模型对90°急弯河道全溃所致的水流运动进行了数值计算,并与试验资料进行了比较,证实了该方法的可靠性。最后用该模型模拟了180°弯道中溃坝水流在缓坡、陡坡时的洪水演进与泥沙输移。结果表明:模型能够较好地模拟溃坝水流运动,模拟结果符合水流泥沙运动规律。     

黄河高含沙量洪水泥沙输移规律的初步探讨

冲积河流的河床形态是由水流中挟带的泥沙堆积而成,河床形态的形成又将约束水流的运动与泥沙输移,所以河床演变与水流泥沙运动规律是紧密相连的。研究高含沙水流在河道中的输移规律,必然要联系到高含沙水流运动的基本特性。     

分汊型河道水流运动特性和污染物输移规律研究进展

对分汊型河道的水流运动特性和污染物输移扩散规律的相关研究进行综述,分别从分汊型河道中分汊口、交汇口、整个分汊河道的水流特性及分汊型河道中的污染物输移特性等4个方面进行总结。介绍分汊口和交汇口处的水流从其能量损失、水位变化、水流分离等一维、二维过流特征到三维流动结构和紊动特性的研究过程;从野外现场试验、室内物理模型试验和数学模型模拟等角度出发阐述了整个分汊河道的水流特性;认为污染物在分汊河道中的输运规律研究主要集中在数值模拟上,并进行了回顾和分析;提出分汊河道水流水质输移特性研究中一些有待深入探究的问题,尤其亟待加强不同排放方式、不同污染物密度和不同分汊形态下污染物输移机制的试验研究。     

平面二维河床变形的数值模拟

为了研究河道平面二维的河床变形问题，及由此而引起的对防洪、航运等造成的影响，本文给出出非均匀沙的平面二维全沙动床数学模型方程组，并考虑了移质不和饱和输移、非均匀沙推移质输移及床沙级配的调整。在求解水流泥沙运动方程时，采用控制体和只法及动边界技术，对水流速度场、悬移质浓度场及河床变形进行了数值模拟。该模型采用正交曲线网格来克服天然河道边界形状复杂、长度尺度相差悬殊以及由于水位波动引起计算边变化等等困     

平面二维溃坝水沙输移动床数学模型研究

为数值模拟溃坝洪水作用下泥沙输移及河床变形,建立了无结构三角形网格的平面二维水沙耦合数学模型。水动力学模型采用浑水流动方程,考虑了泥沙输移及床面冲淤变化对水流动量的影响;泥沙输移采用不平衡泥沙输移模式。模型数值计算格式采用守恒性较好的有限体积法,单元界面的对流通量采用基于近似黎曼解的Roe格式计算,扩散通量采用中心格式,不平衡泥沙输移方程采用坡度限制的二阶空间精度格式离散。模型经经典算例和小尺度瞬间全溃的动床实验资料检验,水面、床面及流速等计算结果与实验资料或解析解等比较吻合,分析了动床与定床水面及洪水传播速度的差异。在上述检验的基础上,采用动床模型对某河道型水库溃坝诱发的水沙运动进行了数值模拟,结果表明溃坝洪水下水流、泥沙及河床变形发生强烈的相互作用,采用水沙及河床变形耦合的数学模型是必要的。     

通气坎下游掺气浓度分布的研究

本文从气泡输移方程出发,结合原型和模型实测资料分析,给出了平直底板通气挑坎下游水流底部的掺气浓度沿程演变规律、相应的保护长度及含气量沿程递减率等计算公式。并在计入水流速度、气泡上浮速度和紊动扩散系数的沿程变化的情况下,求得了不计表面自掺气影响的气泡输移方程的理论解。实例验证,本文的有关结论和相应的计算方法是适宜的。     

交汇河道水动力特性和污染物掺混规律研究综述

水流交汇广泛存在于天然河流中,通过交汇口作为节点连接大小河流形成水系乃至河网。交汇河道不同于单一河道,其交汇口上游壅水下游回流,存在分离区、最大流速区、压缩区等,具有独特的水流特性和污染物输移规律。从不同的角度对交汇河道进行了分类,强调了交汇河道的水动力特性和污染物输移特性研究的重要意义。从原型观测和模型试验、数值模拟和理论分析方面分析评述了交汇口水动力特性和污染物输移规律的研究现状和研究成果,讨论了研究现状存在的问题并对该领域的研究方向进行了展望。     

水流移床力及河道运动力学的初步探讨

本文首次提出了水流移床力和河道运动力学的概念，并建立了水流移床力与流量脉动强度的关系。水流挟沙力是水流挟带泥沙通过河道的能力，而移床力则是水流改造河道的能力。非恒定流输沙使水流具有移床力，因而造成河道运动。研究发现，流量脉动强度愈大，移床力也愈大。不同频率的脉动对移床力有不同的贡献。在缺少河道实测运动资料的情况下，可以利用流量脉动能谱算出修正系数k推算实际水流移床力。由移床力与流量脉动的关系可以推论，水流脉动强度愈大，河道愈不稳定。利用水流移床力公式，可以计算和预测河道运动的速度和距离。     

浓度及温度场问题三维数值模拟及应用

研究温度和污染物的扩散规律,对于健康河流具有十分重要的意义。在排水口附近,温度和污染物的扩散具有很强的三维性。在已开发的三维紊流水动力模型基础上,研制了浓度及温度场三维数学模型。在模型中,空度用来处理不规则边界,VOF用来处理自由面。另外,模型还采用了k-ε紊流模型和壁面函数。利用建立的模型,对水槽和天然的排水口附近的水位、流场、紊动能及其扩散率、温度场和浓度场的分布规律等进行了模拟和研究。通过研究进一步认识了排水口局部三维水流运动规律,浓度和温度扩散规律及分布。     

地下水流与河网水流的耦合模型

从河道水流一维不稳定流(扩展的圣维南方程组)有限差分的递代方程和地下水的有限元数值方法出发，通过河道四周地下水流与河道水流的交换流量把两个模型数值计算的矩阵方程从理论上耦合起来.理想水文流域系统的计算结果表明，模型的设计是合理的     

一、二维嵌套模型在河口工程中的应用

在圣维南方程组基础上建立了适用于大型复杂河网计算的一维河网数学模型,并在工程局部嵌套平面二维数学模型。计算中先采用三级联解法求解整个一维河网模型,以一维模型计算结果作为边界条件代入二维模型计算,对控制方程进行了泊松变换,再运用有限分析九点格式求解,从而减少了在完全耦合解时必需的迭代次数,缩短了计算时间。最后以珠江三角洲虎门出海口上的虎门大桥工程河段为例,对模型进行了验证计算。     

长渡槽段水流运动的复合模拟研究

长渡槽具有输水线路长、沿程过水建筑物类型和数量多的特点。为研究其内水流运动要素的空间变化，采用二维数学模型计算存在难以由设计给出的一维糙率系数出发确定二维糙率系数等模型参数的困难,采用三维数学模型计算则过于复杂,采用物理模型试验又不太经济。本文以南水北调中线工程总干渠沙河渡槽为例，采用复合模型技术，即以平面二维数学模型计算为主，综合利用一维、三维数学模型计算与物理模型试验来确定平面二维数学模型中的模型参数，既经济又有效地解决了以上难题。     

珠江河口水动力一维、二维联解的有限元计算方法

该文应用有限元联解方法计算珠江河网与河口的整个水动力。仿照四点隐式差分法在每个一维单元内部形成独立的单元方程组,改进RMA有限元软件包实现河网一维数值模拟。借鉴弹性力学年中通过固结杆件与块体的连接结点实现两构件组合计算的思路,设计了珠江河网一维、河口二维水动力联解的有限元法,通过单元矩阵的构建、合并与叠加,形成整体方程组,实现整体求解的连接模式,有效地解决了不同形态流场的模拟问题。应用研究表明:该方法合理,计算结果较理想。     

土壤中吸附性溶质运移对流-弥散模型的准解析解及其数值模拟

给出了稳定流条件下,同时考虑随深度变化的一阶降解和随深度变化的线性平衡吸附时,一维溶质运移的对流-弥散方程。在初始浓度为零,半无限一维空间内定通量边界条件下,推导出了溶质相对浓度的准解析表达式。用特征有限元法建立了相应的数值模型,从数值解和准解析解的计算数据可以看出：数值计算所产生的误差很小,能满足实际工作对计算精度的要求。     

稳定流条件下土壤溶质运移两区模型的准解析解及数值模拟

将弥散度概化为运移距离的指数函数，给出了稳定流条件下，非均质土壤中考虑水动力弥散尺度效应及不动水体存在时，一维溶质运移的两区模型。在初始浓度为零，半无限一维空间内定通量边界条件下，推导出了可动区和不动区溶质相对浓度的准解析表达式。用特征有限元法建立了相应的数值模型，从数值解和准解析解的计算数据可以看出：数值计算所产生的误差很小，能满足实际工作对计算精度的要求。     

一般曲线坐标系平面二维水沙数学模型研究与应用

对笛卡尔坐标系下控制方程进行坐标变换,采用控制体积法与SIMPLE算法对方程进行离散和求解,建立了一般曲线坐标系平面二维全沙模型。模型控制方程离散时物理量布置采用同位网格,避免了采用交错网格时所需的大量插值计算,提高了计算效率。模型较全面地考虑了非均匀悬移质及推移质运动,具有较好的普遍适用性。通过长江沙市河段1996年至2001年实测水沙资料对模型进行了较系统的验证,计算结果表明模型能够较合理反映天然河道水沙运动及河床变形规律。     

再论异重流和均质流动的一些相似关系

在对上层静止下层流动的异重流和均质明渠流之间相似关系研究的基础上,本文将这一成果推广,给出了上层流动下层静止的异重流和均质明渠流之间的一些相似关系,并将结果应用于二维重叠式排取水口的水深计算,结果与前人的实验一致。考虑到实际的重叠式排取水口都是三维的,所以本文利用前人的实验结果,进一步给出了三维重叠式排取水口高度及水深的计算方法,所得结果揭示了排水口温差水跃的形成机理和形成条件。     

考虑弯道环流影响的平面二维水流泥沙数学模型

弯道环流是影响断面流速和含沙量分布的重要因素。本文提出了通过求解立面二维弯道环流运动的方法,在平面二维水流泥沙数学模型中考虑弯道环流的作用。该方法适用范围广,增加计算工作量不太大。