往复流作用下悬移质泥沙运动规律的数值研究

本文从水沙两相紊流的双流体数学模型出发,采用直接数值计算的方法,研究了海床面附近边界层内往复流对悬移质泥沙运动的影响。研究方法的有效性通过典型问题的流速分布、紊动能量分布以及泥沙浓度分布的计算结果和实验观测结果的比较得到了良好的验证。本研究还探讨了往复流条件下各类相间作用力的时空变化规律及其对悬移质泥沙运动的影响。     

明渠凹槽泥沙回填过程的水沙两相相互作用

航道疏浚和河流挖沙引起的深槽及深坑的泥沙回淤是典型的水沙两相运动过程。以往针对深槽及深坑的泥沙回淤数值模拟多假定泥沙速度等于水流速度,忽略了水流和泥沙之间的相互作用。通过建立平面二维水沙两相数学模型,分别求解浑水和泥沙的守恒方程,并将该模型与传统拟单相流模型对比,复演了两个典型明渠凹槽的泥沙回填水槽实验。研究发现：在同等参数条件下,水沙两相流数学模型能更好地复演实测结果。分析水沙之间相互作用发现,泥沙主要受底床切应力、水沙之间相互作用力和颗粒间作用力的影响,其中,底床切应力阻碍泥沙运动,水沙之间相互作用力是泥沙运动的主要动力来源。     

浑水水力分离装置中水沙两相湍流的数值模拟

文章采用RNG(重整化群)k-ε双方程紊流模型和简化的多相流Mixture(混合)模型,对浑水水力分离装置内水沙两相湍流场进行了数值模拟,得到浑水水力分离装置的柱体区、悬板区以及锥体区内含沙水流的平面速度矢量分布、含沙水流的紊动强度分布以及泥沙体积浓度分布。通过装置内清、浑水流场的计算结果,分析了泥沙的存在对装置内水流平均流速和紊动强度的影响,以及不同区域内影响水沙分离的主要作用力。研究结果表明泥沙的存在不会削弱水流的平均运动,但泥沙可有效地抑制水流的紊动扩散作用,有利于悬浮泥沙的沉降,装置内不同部位影响水沙分离的主要作用力不同,在锥体区和悬板区水沙分离主要依靠离心力,而在柱体主要依靠重力沉降。     

基于CCHE模型的重力沉沙池水沙数值模拟

为了研究重力沉沙池流量、含沙量与水沙分离效率的关系,借助CCHE软件,建立CCHE2D水沙两相流数学模型,采用混合掺长紊流模型,对重力沉沙池进行数值模拟,得到沉沙池内水流流态、悬移质输移规律以及沉沙池的水沙分离效率,并在前人研究的基础上,进一步对不同流量、含沙量情况下,其流量和含沙量对沉沙池水沙分离效率的影响进行分析。结果表明:当流量在0. 05～0. 30 m~3/s时,随着流量增大,则流速增大,水流挟沙力增大,不利于泥沙沉降,使沉沙池的水沙分离效率降低;改变初始含沙量(5～20 kg/m~3),随着初始含沙量的增大,由于沉淀池尾部回流区存在,使得部分泥沙直接被带入清水池,使得沉沙池水沙分离效率降低。     

不同泥沙粒径下的分离鳃内部流场三维数值模拟

为研究泥沙粒径对分离鳃的速度场及水沙分离效果的影响,采用层流模型和欧拉模型,运用PC-SIMPLE算法,对分离鳃内的水沙两相流流场进行了三维数值模拟。计算结果表明:当泥沙粒径d=0.0001mm时,分离鳃内的流场与其他泥沙粒径时有所不同;当0.005mm≤d≤0.035mm时,分离鳃内不同粒径泥沙水流的流场相同;当0.015 mm≤d≤0.035 mm时,分离鳃处理泥沙效果最好,且泥沙粒径越大,去除率越高,水沙分离速度就越快。     

基于双流体模型的三维溃坝洪水模拟

在溃坝洪水模拟中,泥沙因素的影响不可忽略。针对坝体溃决中的水沙流动,溃口采用DAMBRK模型中的概化梯形模型,通过欧拉模型即双流体模型成功模拟了溃坝洪水中的悬移质泥沙颗粒。对比来流分别为清水和含悬移质泥沙的水沙流、在下游有村庄阻水和无阻水情况下坝面剪切力的大小,证明悬移质泥沙加快了坝体溃决,下游阻水建筑物对水沙流的破坏有抑制作用,最后给出了河道中泥沙的淤积分布情况。所有模拟结果均符合实际溃坝规律和环境。     

排沙漏斗悬移质泥沙运动数值模拟

排沙漏斗是一种利用立轴旋涡实现水沙分离的二级排沙设施。为了探明排沙漏斗悬移质泥沙运动特征和排沙机理,采用欧拉-拉格朗日方法模拟了排沙漏斗水气沙三相流动,其中水相和气相采用雷诺应力模型(RSM)和VOF方法描述,悬移质泥沙用颗粒轨道模型描述。通过对计算的悬移质含沙量垂向分布与实验结果的对比,验证了数学模型的可靠性。计算结果表明:在漏斗室外侧区域含沙量分布整体上较均匀,在漏斗室内侧区域的近底部存在一个明显的高浓度带。作者认为,上述排沙漏斗悬移质泥沙含沙量分布特征主要是由排沙漏斗内的二次流引起的。     

黄河皇甫川流域水沙关系特性及关键驱动因素

以黄河中游皇甫川流域为研究区,基于1960—2015年的实测日径流和日悬移质输沙量数据,采用双累积曲线法和水沙关系曲线法两种方法,对研究区洪水悬移质泥沙的环路特性进行探究。结果表明:皇甫川流域多年平均径流量为1.11亿m~3,平均输沙量为0.31亿t,均呈显著下降趋势,减少速率分别为0.033 1亿m~3/a和0.0101亿t/a;1979、2003年为水沙系列转折年,表现出明显的阶段特性;多年水沙关系曲线可用幂指数拟合,水沙关系未出现明显偏离;植被恢复和水保工程对流域泥沙减少起到重要作用;典型洪水场次条件下水沙C-Q(Concentration-Discharge)环路表现为顺时针、逆时针、逆"8"字形、正"8"字形和线形5种类型,分别描述了次洪水泥沙输移的不同特征。     

天然河流沙质河床上器测推移质输沙率含义的商榷

作者基于天然河流沙质河床上的推移质和悬移质两类运动形式的泥沙,不存在一个能够截然划分的界面,认为在沙质河床上利用推移质采样器实测的推移质输沙率,其组成不都是推移质泥沙,其中尚包括悬移质中的床沙质泥沙。为此,本文分析了长江中游干流宜昌和汉口水文站河段利用推移质采样器实测的推移质输沙率和与之相应测次的、按测时水沙条件计算的临底流层内悬移质中床沙质泥沙输沙率的相关关系,论证了沙质河床上器测推移质输沙率中推移质泥沙和悬移质中床沙质泥沙组成的机理。     

管道输沙Wasp阻力模型探讨

泥沙在管道中的运动状态随输送浓度和输送速度变化而变化.在不同输送浓度、输送速度条件下,如何确定泥沙颗粒中悬移质和推移质所占的份额是计算泥沙管道输送阻力损失的关键.在Wasp模型结构框架下,探讨了悬移质阻力计算方法及悬移质、推移质所占份额的计算方法,计算了细沙管道输送浆体的总阻力,并与实验结果进行了比较和分析.结果表明,由悬移质和水组成的两相载体的阻力,是构成细沙浆体总阻力的主要部分,对Wasp模型的预测效果有重要影响.     

河口高浑浊带航道回淤影响因子分析方法研究

针对河口高浑浊带区域的航道回淤影响因子分析问题,研究提出了一套合理的分析方法。采用了理论模型计算、实测资料分析和相关性分析等技术手段,以长江口深水航道为例,计算比较了冲刷动力、淤积动力以及满足淤积条件的近底层含沙量等因子对航道回淤量的影响,并提出了满足淤积条件的小流速时近底层高含沙量是直接影响长江口高浑浊带区域航道回淤量的主要因子。这一结论通过洪枯季对应数据的差异比较得到了验证,也表明了所提分析方法的合理性。     

波流共同作用下围垦促淤计算方法研究

在改进王义刚等提出的淤泥质海岸围垦淤积计算方法基础上,提出了波流共同作用下围垦促淤计算方法。采用实测水沙资料对挟沙力公式进行率定,得到了横沙东滩水域波流共同作用下半潮平均水沙关系式,其相关系数明显优于仅考虑潮流作用的水沙关系式。采用上述计算方法和水沙关系式对横沙东滩促淤圈围工程的淤积效果进行计算,计算结果与实测值较为接近。由于考虑了波浪作用对含沙量的贡献,比仅考虑潮流作用的计算模式具有明显优势,以后可进一步尝试采用本模式研究砂质和粉砂质潮滩促淤效果问题。     

长江口深水航道治理一期工程前后泥沙运动特性初步分析

利用长江口徐六泾、横沙和佘山三站三年逐日表层含沙量、盐度和气象观测资料，以及北槽河段沿线含沙量洪、枯季准同步观测资料，对长江口深水航道治理一期工程实施前后北槽河段含沙量沿程分布规律和垂向变化特征，以及滩槽泥沙交换的机理进行了分析。结果表明：北槽河段高含沙区分布位置在一期工程后适量下移；风浪对浅滩泥沙的掀动作用和滩槽问泥沙交换是造成工程区河段含沙量增加的主要动力因素；滩槽泥沙交换及输移途径取决于滩槽间流场变化，南北导堤在二期工程继续下延后，将进一步削弱滩槽泥沙交换量，有利于对深水航道的维护。     

波浪作用下软泥床面的粘性泥沙悬扬

本文考虑波浪与软泥床面相互作用，建立了计算软泥床面上波浪剪应力的理论模型.计算结果表明，床面运动对波浪床面剪应力的影响很大.对波浪作用下粘性泥沙悬扬进行了实验研究，得到了不同密度泥床粘性泥沙悬扬的临界剪切力与泥沙流变参数的关系，并与水流作用下粘性泥沙悬扬的结果进行了比较。     

小尺寸双柱式桥墩波浪力的数值分析

Morison 方程适用于小直径孤立柱的波浪力计算,对于双柱式桥墩的波浪力计算已不能直接采用 Morison 方程。为了能利用 Morison 方程求解双柱式桥墩的波浪力,定义了双柱式桥墩前柱、后柱及整体结构的波浪力干扰系数。采用线性波浪理论,利用推板式造波方法模拟线性波,将 ANSYS Workbench平台作为 FLUENT 和 ANSYS 的数据传递平台,对深水环境下双柱式桥墩受到的波浪力以及波浪场作用下双柱式桥墩的结构变形进行单向流固耦合数值模拟。数值模拟结果表明,双柱式桥墩前、后柱波浪力的干扰系数在一定柱距范围内均随柱距的增大近似的成线性增大,当柱距超过一定值后趋于稳定。由于双柱间存在相位差,双柱墩波浪力的总干扰系数以及双柱墩的结构变形却随着双柱中心距的增大而减小。这些变化曲线为实际工程中深水桥梁双柱式桥墩的波浪荷载计算提供了一种更为简便的算法。     

神经网络在直墙上波浪力计算中的应用

运用附加动量法和自适应学习速率，对具有一层隐含层的BP网络进行改造，由此建立神经网络模型来计算作用在直墙上的波浪力，将试验值分别与合田良实公式、我国规范中的公式及本文计算结果对比后表明，神经网络模型可用于计算直墙上的波浪力。     

Sediment transport in pure acceleration-skewed oscillatory sheet flow

In the present study, an analytical concept model is built, using a two-phase model for the sediment transport in a pure acceleration-skewed oscillatory sheet flow. The analytical model is based on the asymmetric wave theory, the irregular boundary layer theory and the exponential concentration distribution theory, to be used for analyzing the phase lag and the boundary layer development related to the acceleration skewness. The two-phase model is applied for the calculations of the instantaneous erosion depth, the sediment flux, the boundary layer thickness and the sediment transport rate, as well as the differences between the positive acceleration stage and the negative acceleration stage caused by the acceleration skewness, as very important in the net current and sediment transport. The effects of the sediment diameter and the phase lag are explained by a comparison with the instantaneous type empirical formula, as is closely related to the acceleration skewness. With the analytical concept model and the two-phase model, the generation of the net sediment transport in the pure acceleration-skewed flows is clearly explained. The phase lag effect is important for the instantaneous sediment transport in the pure acceleration-skewed flow, whereas the boundary layer development difference between the positive acceleration stage and the negative acceleration stage plays a major role in the determination of the net sediment transport.     

THE IRREGULAR BREAKING WAVE FORCES ON VERTICAL WALL

A method for the calculation of total horizontal wave forces by irregular breaking waves on vertical wall was developed by authors, which was based on physical model test, dimensionless analysis and assessment of real construction. The methods for the determination of pressure distribution of horizontal forces on vertical wall as well as u-plift forces on the bottom of wall are also given. The comparison between calculated results by this method and samples of real construction are very well.     

黏性细颗粒泥沙絮凝及沉降的三维模拟

鉴于试验观察黏性细颗粒泥沙悬浮体系絮凝-沉降过程存在技术困难，尝试以分形生长理论为基础，使用改进的受限反应絮团聚集(RLCCA)模型，在计算机上模拟这一复杂过程。模型考虑了絮团的分形结构与可渗透特性、泥沙浓度对悬浮液黏性的影响等因素，复演颗粒、絮团在重力沉降和布朗作用下的三维运动及相互碰撞并黏结的现象。在对模拟数据的统计分析基础上，讨论了絮凝-沉降过程的各种特性，结果表明：碰撞效率系数不同时，絮凝发育过程存在相似性。