弯道推移质同异岸输移的时空演变模拟

野外及室内实验观测均表明,弯道内的推移质泥沙运动同时存在着沿河道同岸和异岸的输移,然而对于同异岸输移的比例以往文献中还存在着很大的分歧。本文采用平面二维水沙数学模型CCHE2D模拟固定河岸大曲率弯道(中心线为110°正弦派生曲线)内的水沙运动,定量地描述了床面变化过程中泥沙同异岸输移的时空演变规律。计算结果表明,大曲率弯道在平床到冲淤平衡的发展过程中存在两个高强度冲刷区,即凸岸边滩上游区和凹岸区。凸岸边滩上游冲起的泥沙绝大部分都沿河道同岸输移到同一边滩下游;凹岸冲起的泥沙则先以同岸输移为主,待河床变形稳定后,受主流贴近凹岸的影响,异岸输移逐渐占优,绝大部分推移质颗粒都集中在"凹岸—过渡段浅滩—凹岸"这条输沙带内运动。     

三峡蓄水前后鹅公岩河段水动力条件数值模拟及变化规律分析研究

本文基于三峡水库175m高水位蓄水运行的背景,根据所收集的实测地形、水文、泥沙资料,针对三峡蓄水后坝前回水对变动回水区产生的壅水影响,选择变动回水区中间段鹅公岩河段作为研究代表,借助SMS地表水模拟软件建立研究河段的平面水流二维数学模型,对蓄水前后鹅公岩河段的水动力条件及推移质输移变化进行了对比研究。本文研究成果对该河段河演规律分析、航槽区域划分以及航道工程整治提供了技术支持,同时可为同类河段的研究提供参考。     

钱塘江河口潮流悬沙的二维模型计算

针对钱塘江河口潮强流急,动力、泥沙含量变化复杂,建立了二维水流泥沙数学模型,模拟水流运动及含沙量变化,通过实测资料率定,模型较好地模拟了河口沿程水位、测点流速、含沙量过程以及断面输沙量,并对潮流泥沙特性和泥沙分布平面特征作了分析.     

非统一结构网格下高精度溃坝水流数值模拟

针对溃坝洪水数值模拟面临复杂地形和不规则边界的特点,综合考虑了摩阻项和干湿界面对水流的影响以及模拟精度与运行效率等问题,建立了非统一结构网格下求解二维浅水方程的高精度Godunov型有限体积模型。基于局部Froude数,提出了水深-水位加权变量重构技术,有效模拟了复杂混合流和间断流,并结合Hancock预测-校正法提高了模型精度;引入了一种简单有效的处理方法模拟了运动的干湿界面变化;采用单元中心型底坡项近似处理方法并结合改进的半隐式格式,解决了摩阻项可能引起的刚性问题,提高了模型的稳定性。经典型算例和漳河水库溃坝洪水分析结果表明该模型稳定、精度高且和谐性强。     

溃堤洪水的一维、二维耦合水动力模型及应用

为了减小因溃堤洪水而造成的人员生命和财产损失,本文建立了能够对天然河道溃堤水流进行模拟的一维、二维耦合数学模型.一维水流模型采用Preissmann格式离散求解,二维水流模型采用基于非结构网格的Roe格式离散求解,在一、二维模型的链接处采用堰流公式实现河槽内外水流的交互.通过典型测试算例验证了本耦合模型的可靠性和稳定性.检验后的耦合模型为大江大河的溃堤洪水计算提供了基础,将该模型成功应用于松花江哈尔滨段松北分洪区溃堤洪水的模拟,所得信息可以为防洪决策部门提供参考依据.     

二维溃坝波数值模型及其应用

本文从Boltzmann方程出发,应用有限体积-KFVS(Kinetic Flux Vector Splitting)格式建立了基于无结构三角形网格的二维溃坝波整体数值模型,采用改进的干底Riemann解处理动边界问题.应用上述模型模拟了浙江某水库溃坝后溃坝波的传播过程,计算结果反映了溃坝波所到之处,水位暴涨、流速从零迅速达到极值的现象.结果表明,本文建立的二维溃坝波整体数值模型具有水量守恒、计算稳定,特别适用于强不规则地形下的溃坝波计算.     

基于修正控制方程的复杂边界溃坝水流数值模拟

建立了适应于结构网格的复杂边界浅水流动有限体积数学模型。基本控制方程采用对自由水面相对高度在水平向和垂直项进行分裂后形成的守恒性的修正二维浅水方程,在结构网格上采用中心型格式离散基本控制方程,采用能够有效捕捉激波的近似黎曼求解器HLLC计算界面通量,并使用坡度限制器重构界面两侧变量,利用MUSCL-Hancock在时间维上积分,使时空精度提升到二阶;分别采用中心差分格式和全隐式方法处理底坡项和阻力项,保证了模型稳定性。提出了局部修正底高和水位的干湿边界处理方法和基于B样条曲线的复杂边界处理方法,很好地处理了急变水流变化引起的干湿单元网格的动态交替和复杂边界处水流特性正确表达。最后通过算例证明了模型性能较好,具有推广价值。     

移动网格下黄河下游游荡段二维水沙数值模拟北大核心CSCD

本文针对游荡型河道水沙数值模拟中岸滩崩塌引起的网格移动问题,采用任意拉格朗日-欧拉方法,在正交贴体坐标系中建立了移动网格下的黄河下游游荡段平面二维非恒定水沙数学模型,同时为使移动网格情况下水沙运动控制方程满足几何守恒律,推导了正交贴体坐标系下网格运动项的计算公式,并采用基于弧长的超限插值法,提出了一种能追踪河岸边界变化的网格移动计算方法。最后采用黄河下游花园口至高村河段2013年实测水沙资料对模型进行验证,结果表明,本模型能较好地模拟出计算河段的水沙输移、滩槽冲淤分布和岸滩冲刷后退过程,所建模型可用于黄河下游游荡型河道水沙运动和滩槽演变模拟。     

三维悬沙模型及河岸边界追踪方法Ⅰ-泥沙模型

建立了无结构、z坐标网格上的三维悬移质泥沙数学模型,为保证计算的守恒性,泥沙输运方程使用有限体积法求解;为使泥沙模型的求解对水流模型的求解不形成附加的稳定限制条件,泥沙输运方程使用亚循环分步模式离散。使用了垂向亚网格技术,使垂向网格能实时地贴合和追踪自由水面和床面,相对于传统的z坐标网格提高了计算精度;同时,在垂向亚网格技术中,为避免因泥沙冲淤产生的垂向小尺度网格对计算时间步长的限制,提出了垂向网格融合技术对底层网格进行处理。借助直壁复式明渠、异重流潜入的水槽实测资料对模型进行了检验,计算结果与试验资料符合良好。     

风暴潮过程中波浪对地形演变影响的数值研究

建立了一个波流耦合作用下泥沙输移的平面二维数值模型，以研究风暴潮过程中地形冲淤变化的规律及波浪的影响。水流和泥沙输运的模拟采用水沙耦合数值模型，以考虑强冲淤条件下地形变化与水流运动之间的相互作用。波浪场模拟采用SWAN模型，计算得到的波浪辐射应力输入水沙耦合数值模型实现波流耦合。采用建立的模型对风暴潮过程中近岸地形变化进行了分析，结果表明，波浪对地形演变的影响程度随着风暴潮潮位的增加而减小。当风暴潮潮位较小时，近潮汐通道处形成不对称的三角洲、入口处形成冲刷坑；当风暴潮潮位较高时，形成的三角洲不对称性较小。当风暴潮潮位升高，近岸水深与波长之比大于0.15时，波流耦合模型与不考虑波浪作用模型计算所得的地形变化的绝对误差为整体地形变化的5%，但前者计算时间增加了一倍，因此，波流耦合计算对于风暴潮潮位较低，近岸水深与波长之比小于0.15时具有重要意义。     

基于精细地形建模的溃坝洪水演进三维数值模拟

针对三维溃坝洪水数值模拟缺乏涉及城市复杂下垫面地形建模的水库溃坝洪水演进的研究现状,本文首先提出了基于TIN与NURBS曲面重构的精细地形建模方法,同时结合等效糙率法以区分不同的下垫面条件对洪水的水流运动产生的阻力影响,从而为溃坝洪水演进三维数值模拟提供精细的下垫面信息;其次,采用耦合VOF法的修正RNG k-ε湍流模型模拟了溃坝洪水的演进过程,并通过模型验证分析了该模型的准确性;最后,以某城市地区水库溃坝为例,分析了下游复杂区域洪水演进过程、流速、水深等水情信息。结果表明:本文提出的地形建模方法具有较小的数据储存量且保持较高的地形精度;同时基于精细地形建模的溃坝洪水演进三维数值模拟既准确地模拟了洪水演进过程,且充分地反映了溃坝水流的复杂流态及细节。     

非均匀悬移质泥沙弥散速度本构方程

天然河流中泥沙由非均匀颗粒组成，泥沙的非均匀性对于水沙运动和河床演变过程具有重要影响。然而目前非均匀悬移质泥沙研究中很少考虑不同粒径颗粒相互作用，颗粒相互作用对非均匀沙悬浮的贡献仍不明确。本文旨在建立非均匀悬移质泥沙弥散速度本构方程，其可反映非均匀泥沙悬浮的主要力学机制。首先，基于固液两相流理论，建立非均匀沙挟沙水流的两相流方程，充分考虑不同粒径颗粒相互作用力，并推导挟沙水流两相浑水方程以避免相间作用耦合复杂的问题。其次，为封闭两相浑水方程，引入弥散速度的概念，建立非均匀沙各粒径组弥散速度本构方程，揭示非均匀沙悬浮本质上是浑水紊动、颗粒自身作用、其他粒径颗粒作用三种作用共同影响的结果。最后，基于非均匀沙弥散速度本构方程得到非均匀悬移质泥沙的输沙方程，分析非均匀沙浓度垂线分布规律，将其应用于明渠恒定均匀流中，计算的非均匀沙浓度垂线分布与实验数据能较好地吻合。相对于均匀沙公式，在浓度相对较高、粒径差异大的条件下，非均匀沙公式的计算值与实验值符合得更好，进一步验证了非均匀沙弥散速度本构方程能够从力学本质上反映不同粒径颗粒相互作用对颗粒悬浮的影响机制。     

特约文章：植被对明渠水流及泥沙运动的影响

近年来随着对城市水环境的治理、岸坡的护理、湿地的设计与管理及山区水资源的开发利用,有关植被水力学的研究成果呈指数性增长。目前的研究侧重于植被对水流的影响,而有关植被对泥沙运动影响的成果很缺乏。文章结合作者近期的工作,对在水力学与泥沙研究中有关植被对水流特征长度、床面粗糙度、流速分布、泥沙起动、推移质输沙率及悬沙浓度等的影响进行讨论,并提出有待进一步探讨的问题。     

基于阻力特性的粗糙度计算方法

床面粗糙度Ks是沙粒阻力计算的重要因素，对流速分布、推移质运动及输沙率等问题的研究具有重要的意义。基于阻力特性，综合考虑水沙条件，建立了以泥沙中值粒径、非均匀系数、水力半径和床面坡度为变量的床面粗糙度计算公式。经实测资料验证，并与其他学者的计算方法进行均方差分析对比发现，基于非均匀沙的Ks计算方法的计算精度明显高于基于均匀沙的Ks计算方法；本文公式既适用于均匀沙粗糙度计算，也适用于非均匀沙粗糙度计算，且计算精度明显高于其他学者的计算精度；床面沙波及泥沙输移对公式计算精度的影响均较小，沙波的影响程度小于泥沙输移的影响程度。     

缓变曲线改善120°弯道水沙运动的三维数值模拟

人工河道的弯道段大多曲率单一,水流动力轴线的曲率与弯道曲率难以匹配,导致了流固分离和弯道二次流的产生。针对弯道曲率突变问题,引入两种插有缓变曲线的弯道形式,研究缓变曲线对120°弯道水沙特性的影响和流态的改善。运用MIKE 3水动力模型和泥沙输移模型对单曲线弯道、缓圆缓弯道和对称凸弯道进行数值模拟,对比分析不同弯道型式在冲刷和定床两种工况下的近底流速、水面横比降和超高、弯道环流和河床冲淤变形。研究结果表明：插有缓变曲线的两种弯道可以遏制弯道中水体湍动的发展,改善120°弯道水流的流态,能够有效减小弯道凹岸冲刷、凸岸淤积的现象,缓解河床的冲淤变形。     

坡面植被水流水动力学特性研究

本实验为人工水草模拟植被覆盖条件下的坡面流水动力学特性研究,以水力学和流体力学基本理论为依据,通过室内定床阻力模拟放水实验,定量的研究了植被覆盖度为9.3%(2500簇/m2)的工况下,不同坡度和流量组合对植被水流各水动力学参数的影响。结果表明:坡面植被水流平均流速随坡度和流量的增大呈递增趋势,可用线性函数或幂函数关系模拟,且线性关系优于幂函数关系;植被坡面流平均水深与流量和坡度之间也存在着显著的线性关系和幂函数关系;植被坡面流的佛汝德数随流量的增加而减小、随坡度的增加而增大,并呈现出一定的幂函数关系,但佛汝德数主要受坡度的控制,流量对佛汝德数的影响很小;阻力系数随雷诺数的变化规律呈单驼峰形式,本实验条件下,在雷诺数为1500~2000时达到最大值,当雷诺数大于2000时,随雷诺数的增加阻力系数反而减小,最后逐渐趋于稳定,可见两者之间并非呈简单的递增或递减关系。     

基于COBRAS模型的突缩断面溃坝水流特性研究

为研究局部断面突缩对溃坝水流演进的影响,采用有限体积法数值离散雷诺时均方程,并以COBRAS模型为基础建立了三维k-ε紊流数学模型,利用压力隐式算子分割法求解紊流方程,自由液面采用流体体积法追踪。通过经典溃坝物理模型试验资料对数学模型进行验证,在此基础上,数值模拟了局部断面突缩条件下的溃坝水流特性。计算结果表明:断面突缩引发了水流的强烈紊动,断面上游发生水跃、形成负波;溃坝水流在断面收缩处快速雍高,而后向上下游逐渐扩散;动压强在突缩断面的最大洪峰形成过程中达到了最大值,然后逐渐减小;总压强在突缩断面最大洪峰形成前后的一段时间内保持着较为稳定的最大值。     

基于非线性理论的推移质输沙率公式

基于非线性理论的尖点突变模型,分析了水流条件和泥沙颗粒在床面相对位置对泥沙输移过程的非线性动力学特征的影响,得到尖点突变模型的状态变量和控制变量,建立了定性描述泥沙输移的尖点突变模型,并通过坐标变换和拓扑变换,构建了非线性推移质输沙率公式。经与推移质输沙率实测资料、基于同理论推移质输沙率公式和经典推移质输沙率公式对比,分析了低强度输沙时不同公式计算结果存在差异和高强度输沙时计算精度发生突变的原因,讨论了泥沙起动切应力对输沙率公式的影响,验证了本文公式具有良好的适用性,证明了本文非线性推移质输沙率公式是合理的。