冰盖河渠水深平均流速的横向分布

以Reynolds平均的Navier-Stokes紊流方程为基础,提出了冰盖河渠恒定流的水深平均流速的横向分布准二维模型,该模型包括了河渠流动的一些关键三维紊流因素,不仅适用均匀流和非均匀流,而且适用于明流和断面部分冰封的流动。建立了综合阻力系数fd与河床糙率系数nb和冰盖糙率系数ni的函数关系,其中nb和ni可以是常数,也可以是横坐标y的函数。典型冰盖梯形明渠的算例表明,本文模型具有足够的计算精度,同时计算明流无因次涡流黏度λ的方法也适用于冰盖下流动。     

弯曲复式河道水流特性数值模拟研究

为了解二维、三维模型在弯曲复式河道水流数值模拟中的应用情况,利用物理模型试验数据验证二维模型的计算结果,并对断面水面线进行了分析。可以看出,二维数模不适用于弯道水流的局部模拟,而适用于宏观水流流动的模拟。采用三维模型分析了弯曲复式河道中的二次流现象,结果表明,三维数模对于弯道水流的二次流、垂线流速分布模拟效果比较理想,可以得到弯曲河道水流运动的基本规律。     

复式河槽漫滩水流流速分布二维解析解

通过水深平均纵向与横向流速的乘积(UV)d和垂线平均流速的平方Ud2获得了二次流项系数K的横向分布;根据(UV)d和Ud2在各区域内的关系,引入常系数a和b来表征二次流,进而给出了新的垂线平均流速二维解析解.该解析解表明,b只出现在水深线性变化区域的解析式中.分析发现,a的符号代表各区域内二次流的旋转方向,二次流强度则由a和b的取值共同决定;各区选定合适的a值可以得到较好的计算结果,b值对流速分布的影响主要在主槽区和主槽边坡区.采用英国FCF不同系列试验资料对计算模型进行验证,结果表明,计算值与实测值吻合较好.同时,比较了a和b在不同断面形态的复式河槽中的取值,并就其变化规律进行了分析.     

黄河下游河岸横向变形数值模拟研究

通过在水流运动方程中增加弥散应力源项,考虑弯道二次流的影响,引入横向环流输沙对河床冲淤变化的影响,对悬移质不平衡输沙方程、推移质输沙方程及河床变形方程进行了修正.根据黄河的特点建立了模拟河岸侵蚀、崩塌的计算方法,应用所扩展的平面二维数学模型对黄河下游河道的横向变形及河势演变进行了数值模拟,结果表明该计算模型能较好地模拟河道横向变形.     

水深及滩地糙率对复式断面河道过流能力的影响

水深、滩地糙率是具有单、双槽复式断面河道过流能力的重要影响因素。采用数学模型计算并分析不同水深及滩地糙率情况下,概化的顺直型复式断面河道的过流能力,结果表明:当滩地水深与滩地高度之比增大时,滩地流量分配比随之增大,但增大的趋势越来越弱。随着滩地水深与滩地高度之比增大,河道水力坡降降低,在滩地水深与滩地高度之比小于0.4时,增大滩地水深与滩地高度之比对于减小水面比降效果明显。随着滩地糙率的增大,滩地流量分配比迅速减小,两者呈线性相关。     

基于复式断面河道水力特性的分区 防护设计研究

本文建立三维紊流数学模型，通过算例验证了其合理性。根据复式断面河道水力特性计算结果，从流速梯度和紊动能等方面分析了河道横向各区域水流冲刷特性。研究表明各区壁面附近冲刷强度存在明显差异，指出复式断面河道内，受主流影响较大的河道主槽区域和坡坎拐角等壁面区域是重点防护区域，进而提出复式断面河道分区防护的观点。     

部分冰盖下水流水力特性数值模拟

运用Fluent软件建立雷诺应力模型,模拟不同冰盖覆盖度下恒定均匀流流场,从纵向时均流速、二次流、雷诺应力、紊动能等方面揭示部分冰盖下水流的水力特性。结果表明：岸冰的形成会导致冰盖下水流在断面上重新分配,明流区流速增大,冰盖下流速减小;横向动量交换产生复杂的二次流结构,涡体形状、数量、大小和位置随着冰盖覆盖度的增加而变化;雷诺应力断面分布较复杂,冰盖附近区域雷诺应力为负值,负值区范围与冰盖覆盖度密切相关,并凸向明流区;冰盖、边壁和床面的粗糙度不同导致紊动能在断面上的分布呈现出明显的差异,冰盖区紊动能大于明流区的值,反映出岸冰对冰盖下水流结构影响的复杂性。     

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。     

宽窄复式河道水流运动特性的试验研究

在分析水槽试验资料的基础上，首次对宽窄复式河道的滩槽过流能力、断面平均流速、垂线流速及横向分布等水流运动特性进行了研究．研究结果表明，宽窄复式河道的主槽流量随着滩槽宽度比的增大而减小，滩地流量随着滩槽宽度比的增大而增大；水流发生漫滩之后，随着水深的增加，主槽流速先减小后增加，滩地流速不断增加，二者的变化幅度与滩槽宽度比有关；在大部分区域内垂线流速偏离对数分布，主槽一般偏小，滩地偏大；垂线平均流速沿横向分布与一般复式河道相似，但滩槽流速差别减小．     

不冲流速限值在流域骨干引排工程中的应用

现有规范规定的不冲不淤的流速限值是基于梯形渠道断面提出的,太湖流域骨干引排工程常采用坡墙结合的复式断面,其适用性有待进一步研究验证.采取数值模拟的方法,以白屈港河道综合整治工程为例,对河道不冲流速的限值进行了计算探讨.研究表明:对于非黏性土的复式断面河道,其允许不冲流速的计算水深可按照河底水深选取.     

明渠断面水流流速与边界剪切应力横向分布模型

天然河流的横断面多为由主槽和漫滩组成的复式断面,水流在这种断面中比在单一断面中受到更多因素影响,流态也更加复杂。通过将明渠横断面上微元体在水流方向的N-S控制方程沿水深积分,得出描述垂线平均流速和边界剪切应力横向分布的模型,并通过对实验数据的验证,确定了模型的实用性。     

考虑河岸冲刷的弯曲河道水流及河床变形的数值模拟

本文将正交曲线坐标系下的平面二维水沙数学模型和粘性河岸的冲刷模型结合，用于模拟弯道内的水流运动、悬移质泥沙的输移、河床的纵向及横向变形.用水槽试验资料验证了本文提出的水流模型，结果表明流速分布、水位等计算结果与实测值相当符合.应用建立的水沙数学模型以及河岸冲刷模型，模拟了一概化弯道在持续清水冲刷下的主流线位置、断面形态、主槽比降的变化过程，模拟结果符合弯道演变规律.     

复式河槽漫滩水流的三维数值计算

采用紊流模型中的雷诺应力模型(RSM)对非对称复式河槽水流的三维紊流进行了数值模拟。数值模拟计算结果与试验结果的比较表明RSM能够很好地模拟滩槽交互区内的二次流、主流速分布和床面剪切力,此模型模拟复式河槽是可靠的。最后用RSM模拟了对称复式河槽在不同水深下的流速场及床面剪切力分布,得出当水深增加时,滩槽交互区二次流动纵向涡增强,而浅滩主流速及床面剪切力迅速增大的结论。     

Evaluation of the Logarithmic Law of the Wall for River Flows

The logarithmic law of the wall is commonly used to determine the shear stress applied to the river bed by the flow field. The shear stress calculation requires a velocity profile at the location of interest—data that can be obtained with a boat‐mounted acoustic Doppler current profiler (ADCP). ADCP survey procedures use either a fixed‐vessel (FV) or moving‐vessel (MV) with each providing different spatial and temporal resolution. MV procedures require significantly less field effort but the data lack the temporal resolution of FV measurements. This fact has motivated investigators to seek MV procedures and analysis techniques that provide equivalent results to FV measurements. This study compares results of the two survey procedures for depth‐averaged quantities (velocity and flow direction), mean velocity profiles, shear velocity and equivalent sand grain roughness. Mean velocity profiles are produced by time averaging for the FV measurements and spatial averaging for the MV measurements. Shear velocity and equivalent sand grain roughness are determined using simple linear regression applied to the logarithmic law of the wall. These procedures are demonstrated using data obtained during bankfull flow on the lower Roanoke River, North Carolina, USA. The results indicate comparable estimates of depth‐averaged quantities from both survey procedures. Estimates of the mean velocity profiles were found to be more variable. The agreement for shear velocity and equivalent sand grain roughness was generally poor indicating that further work is necessary to produce comparable results with MV survey procedures. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

THREE-DIMENSIONAL SIMULATION OF MEANDERING RIVER BASED ON 3-D RNG k-ε TURBULENCE MODEL

A 3-D numerical model for calculating flow in non-curvilinear coordinates was established in this article. The flow was simulated by solving the full Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with the RNG k-ε turbulence model. In the horizontal x-y-plane, a boundary-fitted curvilinear co-ordinate system was adopted, while in the vertical direction, a co-ordinate transformation was used to represent the free surface and bed topography. The water level was determined by solving the 2-D Poisson equation derived from 2-D depth averaged momentum equations. The finite-volume method was used to discretize the equations and the SIMPLEC algorithm was applied to acquire the coupling of velocity and pressure. This model was applied to simulate the meandering channels and natural rivers, and the water levels and the velocities for all sections were given. By contrasting and analyzing, the agreement with measurements is generally good. The feasibility studies of simulating flow of the natural river have been conducted to demonstrate its applicability to hydraulic engineering research.     

河湾水流与河床冲淤综合分析

本文在两个弯道模型试验基础上［１，２］，综合分析了国内外的有关研究成果。文中首先阐明河流蜿蜒弯曲的必然趋势和河湾内环（副）流伴随主流形成螺旋流动前进的特征，并对弯道内主流位向变化、环流强度、水面横比降等作了分析，推荐了计算公式。其次，对河湾水流的横断面流速分布和沿河宽的单宽流量分布给出了计算方法，并分析求得了河湾冲刷深度的公式；依此可以计算河湾冲淤河床的平衡断面。     

山区宽窄相间河道平面二维水流数值模拟

针对山区河道受地质条件及河床演化的影响,其平面形态常呈现宽窄相间的渐变形态特征,采用贴体坐标法剖分正交贴体曲线网格求解域,用有限体积法离散控制方程,以SIMPLER计算程式求解耦合方程,建立山区宽窄相间河道平面二维水流数学模型。将模型计算值与宽窄相间水槽水流试验实测值及水动力学SMS软件计算结果进行比较,结果表明:该模型能够较好地模拟宽窄相间河道平面二维水流运动特性,宽窄相间河道河宽渐变将引起水深和流速的变化,在河道最窄处水深降到最低,流速最大;在河道最宽处水深达到峰值,流速最小。     

考虑关键物种全生命周期的减脱水河段生态流量研究

针对引水式电站改变河流的水文水力学特性、地形地貌等天然状况,在电站与引水坝之间形成减脱水河段,使河流生态环境遭到破坏的问题,选取长江二级支流后溪河镇泉大坝下游作为研究河段,通过实地调研与资料收集,以当地土著、重点鱼类齐口裂腹鱼作为指示性物种,考虑其全生命周期的生态过程,归纳得到产卵期水深、流速适宜性曲线。在识别研究河段现状地貌单元分布的基础上,考虑水深、流速阈值与底质特征,建立了水深、流速与水力单元的关系,识别了不同流量下索饵场、越冬场面积变化,并结合蒙大拿法,分时期、分阶段确定了减脱水河段的最佳、适宜、最小生态流量。     

CES模型计算复式河槽过流能力及方法对比

复式河槽的洪水漫滩后,滩槽水流相互作用,在滩槽交界处形成动量交换,若直接采用曼宁公式进行水力计算将产生很大误差。应用CES(Conveyance Estimation System)模型首先计算了不同复式河槽的垂线平均流速,并结合英国科学工程研究理事会洪水水槽设备(SERC-FCF)的试验资料进行了验证,进而分析了不同形态复式河槽的水流特性;然后通过对比分析CES模型与经验方法(湿周修正法、断面分割法)和理论方法(谢汉祥法、刘沛清法、河槽协同度法)计算流量时的精度,论证了该模型在复式河槽水力计算中的优越性。结果表明,由CES模型计算的断面垂线平均流速分布符合复式河槽的水流特性且与实测资料吻合良好,较之其他模型方法,该模型能适用于任意形态复式河槽的流量计算且精度较高。     

岸坡崩塌条件下弯道环流与水流剪切力的变化特征

河岸崩塌(又称为崩岸或塌岸)是水动力作用下岸坡失稳的一种主要形式,属于一种典型的水力与重力的复合侵蚀。本文采用黄河上游宁蒙河段的磴口黏性河岸沙为实验用沙,通过实施8组弯道水槽实验模拟塌岸过程与河道冲淤演变过程,重点观测并分析崩塌近岸水位、流速、颗粒粒径及河床冲淤形态等水力-泥沙-河床三方面因子变化特点,揭示黏性岸坡崩塌过程水流剪切力分布特征及其对河道冲淤形态影响机制,结果显示崩塌体头尾部的剪切力突增,形成较大剪切力区,尾部剪切力大于头部剪切力,尾部形成涡流,流速分布混乱,加快崩塌体的分解和崩塌进程。实验进一步揭示了崩塌过程河床形态对水流剪切力的响应关系,为建立崩塌河段泥沙输移模型提供了基础依据,并可供河道整治工程规划设计参考。