丁坝绕流流场及局部冲刷三维数值模拟研究

精确模拟丁坝附近流场信息,预测冲刷形态对丁坝的设计和安全运行具有重要的意义。本文采用一种基于多相流模式的悬移质输沙与传统推移质输沙相结合的模型模拟丁坝局部流场与冲刷过程,而河床变形则通过填充层体积份数的变化来模拟,VOF法处理自由面。泥沙冲刷侵蚀模型主要分为三个模块:悬移质漂流模块、泥沙挟带模块以及推移质输运模块,通过模拟在水流作用下的泥沙运动来预测泥沙侵蚀、对流扩散以及沉积等过程,同时考虑床面坡度对泥沙输运以及临界希尔兹数的影响。模拟得到了丁坝附近局部流场、地形冲淤变化以及冲刷坑形态等,并把计算结果与试验资料进行了对比分析,二者吻合较好,证明该模型能够很好地反映丁坝附近流场信息和床面变形特征。     

悬移质近底参考面平衡浓度的一个计算公式--对Lane与Kalinske模式的改进

根据推移质与床沙交换、悬移质主要与推移质交换的物理背景，采用Einstein床面泥沙的起动概念及推移运动概率函数表征床面泥沙起动及推移运动，采用Lane与Kalinske提出的泥沙因水流垂向脉动而进入悬浮运动的模式表征推移质进入悬浮运动的过程，建议一个床面层高度，建立了一个悬移质近底平衡浓度的一个计算公式。公式的参数由实测资料确定，公式经过了独立资料的检验，计算精度在可以接受的范围内。基于本文建议的床面层高度及参考面平衡浓度公式，建立了悬移质输沙率计算方法，取得了满意的输沙率计算精度。对于细颗粒泥沙的悬移质输沙率计算，本文公式克服了Einstein方法的缺陷。     

水库下游冲刷的数值模拟—模型的构造

由于水库下游冲刷过程中悬移质与推移质、推移质与河床质、河床质与悬移质交换机理及床沙粗化机理的复杂性,使得研究水库下游冲刷数学模型的难度较大。 为了研究水库下游冲刷、河床演变问题及由此而引起的对防洪、航运等造成的影响,本文建立了一维全沙数学模型,模型考虑了非均匀悬移质不饱和输移、非均匀沙推移质输移及床沙级配的调整。文中考虑了冲刷过程中挟沙能力的沿程调整,挟沙能力包括以下三个方面,即悬移质中细颗粒部分从累计效果看不参予与床沙交换(冲泻质),这部分泥沙全部计入挟沙能力;悬移质的粗颗粒部分落淤到床面与床沙交换后部分地计入挟沙能力;床沙中可悬浮部分从床面冲起后部分地计入挟沙能力。非均匀沙推移质输沙率公式考虑了床沙运动的随机性及床沙粗化对输沙率的影响。床沙级配的调整采用CARICHAR混合层模型。对计算中经常遇到的关键性问题提出了处理方法。     

床面上短圆柱体局部冲刷三维数值模拟

床面上短柱体局部冲刷的机理复杂,运用三维有限体积法,对其局部冲刷情况进行了模拟.采用k-ε紊流数值模型,计算柱体周围的紊动流场,利用经验公式计算该时刻的推移质输沙率,运用动网格技术,处理床面地形随时间的变化.推移质计算充分考虑了床面坡度和流向对推移质输沙率和临界起动剪切力的综合影响.改进沙滑模型,修正当生成的剖面坡度超过泥沙休止角时造成模拟的失真,同时克服数值计算的不稳定性.计算结果和水槽试验资料对比分析,二者符合较好.该模型可以用于海底结构物如桥墩、管道、丁坝等的局部冲刷的数值模拟计算.     

基于Flow-3D的圆柱形桥墩局部冲刷大涡模拟

为预测圆柱形桥墩周围的局部冲刷坑形态和最大冲坑深度,基于Flow-3D软件的水动力学模块和泥沙输运模块对桥墩附近局部冲刷进行了三维数值模拟。以Melville冲刷试验为原型,采用LES大涡模拟方法,模拟了桥墩附近湍流流场。以床面瞬时切应力作为泥沙起动、输移条件,采用Van Rijn输沙率公式计算床面冲淤。采用FAVOR技术追踪河床形态变化,得到了桥墩附近局部冲刷形态。经实测资料验证,计算结果与模型实测的冲坑形态及最大冲坑深度基本吻合。     

浑水推移质分组输沙研究

天然河流的泥沙输移大多在浑水条件下进行,浑水条件与清水条件下的输沙机理存在一定差异。基于近底泥沙交换三状态随机-力学模式,考虑了床沙与推移质向悬移质的净交换,引入扬动概率,建立了浑水中非均匀推移质分级输沙率公式,进而导出总输沙率及推移质级配的计算式。浑水条件下进行的推移质输移水槽试验和野外实测资料验证了该理论公式的合理性与可靠性,并发现浑水条件下推移质级配可能粗于原始床沙级配。研究结果表明:在浑水中,以悬移质形式存在的砂质泥沙含量对有效估算推移质输沙率有着不容忽视的影响。在某粒级运动泥沙总量不变的前提下,由于一部分沙粒悬浮于水体中,将使得推移质数量相对减少。     

北江泥沙

一、前言河流的总输沙量是推移质与悬移质的总和。它们由两种不同的水力输送方式活动。受床面支持运动的泥沙,沿着河床滚动或者滑动,是推移质。由于紊动涡流或胶质悬液的作用在水流中悬浮,是悬移质。根据国内外一些河流资料分析,在河     

水下管道附近泥沙冲刷的三维数值模拟

该文在FLUENT软件中使用用户自定义函数UDFs进行二次开发,耦合了基于有限差分方法求解的泥沙输运模型,建立了模拟海底管线周围三维流动和冲刷的数值模型。针对推移质运动,采用输沙率得到床面的高程变化,并使用动网格技术更新床面计算网格。针对流动时间尺度与泥沙输运时间尺度的差异,采用了不同的计算步长来提高效率。通过与实验数据进行比较验证了该模型的有效性及计算精度,并利用该数值模型模拟管道附近的三维冲刷发展过程,探索了不同希尔兹参数条件下冲坑的发展规律和流场变化情况。可以观察到在管道两侧压力差的作用下,管道后方出现一个隆起的沙波,并伴随着涡旋的产生。该文的计算方法可以很方便地推广到k??其它局部冲刷过程的模拟研究。     

底层泥沙交换和状态概率及推悬比研究

本文首先论述了床面层泥沙静止、推移(滚动与跳跃)和悬浮三种运动状态及它们转移的临界条件，四种基本转移概率和由它们构成的九种状态转移概率。接着利用数字计算结果，给出了四种基本转移概率，并分析了它们的特性。在这个基础上计算了泥沙在床面层处于静止(床沙)、推移(推移质)、悬浮(悬移质)的状态概率。最后作为状态概率的应用给出了推悬比的公式。     

水下结构物周围泥沙冲刷的通用计算模型

为研究近床面结构物周围的局部冲刷问题,该文基于N-S方程和有限体积法,在FLUENT中进行二次开发,建立了局部冲刷问题的三维通用计算模型。模型通过标准k-?模型计算结构物周围的流场,并使用FLUENT软件中的自定义函数功能,提取床面网格信息与床面剪应力。据此来计算一段时间内的推移质输沙率,进而得到床面节点的高程变化。最后,再通过动网格技术,更新床面网格形状,完成一个时间步长的床面变形计算。该文模拟了水平管道周围冲刷与圆球附近的冲刷,计算结果与实验结果吻合良好,验证了模型的准确性。同时,该研究讨论了流动与冲刷时间步长的选取对计算效率与计算精度的影响。     

桥墩局部冲刷动态模拟及不同截面的冲刷特性

为了获得桥墩局部冲刷随时间的演变过程,探讨不同截面桥墩的冲刷特性,采用计算流体动力学软件FLUENT的自定义函数功能和动网格更新技术,考虑湍流涡增强效应的床面剪应力和坡度影响的临界剪应力,得到床面的输沙率,通过输沙率与床面高程的变化关系实现床面地形随时间的动态变化,并利用泥沙坍塌的调整来克服床面坡度超过泥沙休止角造成的模拟失真及数值不稳定。结果表明:局部冲刷最大深度、冲坑形态及流场结构的模拟结果与试验结果较为吻合;在最大墩宽一致的情况下,流线形桥墩的冲坑深度比圆柱形桥墩降低约45%,比尖角形桥墩降低约40%,冲坑范围也有所下降。     

STUDY ON TOTAL SEDIMENT TRANSPORT BY FLOW

1 .　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＦｏｒｎａｔｕｒａｌｒｉｖｅｒｓｗｉｔｈｒｉｃｈｓｅｄｉｍｅｎｔ ,ｔｈｅｍｏｖｅ ｍｅｎｔｆｏｒｍｓｏｆｓｅｄｉｍｅｎｔｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉａｍｅｔｅｒｓａｒｅｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｕｎｄｅｒｔｈｅａｃｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗ .Ｇｅｎｅｒａｌｌｙｓｐｅａｋｉｎｇ ,ｔｈｅｒｅｍａｙａｐｐｅａｒｔｈｒｅｅｆｏｒｍｓｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ ;ｓｕｓｐｅｎｄｅｄｌｏａｄ ,ｄｅｎｓｉｔｙｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｂｅｄｌｏａｄ .Ｗｈｅｎａｄａｍｉｓｃｏｎｓｔ…     

明渠砂质床面桩柱冲刷与导流防护试验研究

为了研究明渠砂质床面桩柱冲刷的水沙动力机理,分析极限平衡冲刷深度和范围随水流雷诺数的变化规律以及抗冲刷导流防护措施的效果,利用动床模型水槽试验,再现了桩柱周围局部床面从平整发展到冲刷坑的发育过程,测量了各工况下冲刷坑的形态参数,并利用PIV技术观测粗颗粒泥沙局部悬扬运动。结果表明:桩柱冲刷范围(相对于桩径D)随雷诺数ReD增大呈减小趋势。当雷诺数ReD在4 500~18 000之间变化时,冲刷深度变化范围为2.4D~1.3D,冲刷坑半径变化范围为4.5D~2.5D。砂质床面桩柱冲刷除存在显著的推移质运动外,还存在局部粗泥沙颗粒悬扬,且悬扬输沙的范围和强度随冲刷坑发展而强烈变化。在桩柱后方设置导流板能够有效抑制柱后卡门涡街的生成,桩后冲刷深度最大减小幅度为27.7%,但对柱前冲刷深度的影响不大。     

丁坝坝头冲淤的三维数值模拟

本文对洪水条件丁坝近体的局部冲淤进行了三维数值模拟。开发了与全三维紊流模型连接计算的泥沙模型。泥沙推移质的计算考虑了床面坡度对推移质输沙率和临界启动剪切力的综合影响。模型经丁坝淹没绕流实验的充分验证。结果详尽讨论了局部冲刷随时间的动态变化过程和动平衡下的河床平面形态特征。     

非恒定流清水冲刷输沙规律初步研究

通过波动水流及定常流量的清水冲刷水槽试验,对非恒定流输沙特性进行了研究。分析了洪峰过程中,涨、落水流速、比降、输沙率的变化特性及影响输沙率的主要因素;揭示了加速流和减速流的输沙滞后效应;提出了洪峰输沙量的估算方法以及与洪峰流量输沙等效的当量流量。对人造洪峰设计,河床变形分析计算以及河工模型设计等有一定参考意义。     

水利枢纽下游河床冲刷与再造过程研究进展

在水利枢纽尤其是水库的拦蓄与调节作用下,下游河道的来水来沙条件显著变化,将导致下游河道不平衡输沙,引起河床冲刷与再造。水利枢纽下游河道的河床冲刷与再造过程,兼具床沙冲刷—粗化—交换—悬移质恢复等多过程耦合的微观水沙运动特性,以及泥沙冲淤—床面形态变化—纵比降改变—河型河势调整等多尺度复杂响应的宏观形态变化。国内外相关研究主要通过实测资料分析、理论研究、实体模型试验和数值模拟等手段,从微观机理和宏观规律2个主要方面开展。归纳和总结了国内外水利枢纽下游河床冲刷与再造过程研究成果,对河床冲刷与再造实体模型试验和数值模拟中的模型沙选择、泥沙恢复饱和系数等关键技术问题的研究进展进行了分析,并指出了需要进一步研究的重点和亟待解决的科技难题。     

清水下泄河床变形的模型试验及数值模拟

根据清水下泄引起的河床变形过程的模型试验，运用泥沙连续方程，引入了以反映瞬时冲淤量的特征速度概念，导出了推移质输沙的平衡过程方程。再结合水流的圣维南方程、河床变形方程，对试验结果进行了数值模拟。     

枢纽下游河床冲刷深度和水位降落估算方法

通过清水冲刷水槽试验,在探索非恒定输沙及床沙调整等规律的基础上,结合沙量平衡原理,建立了一种枢纽下游河床冲刷深度和水位降落的计算模式。洪峰过程可以概化为一种恒定的"当量流量",深槽冲刷以枯水边界作为脱离体,可将该模式延伸于天然河道。能够计算冲刷过程及终期河床冲刷纵剖面和不同流量下的水位降落。     

冲刷条件下长江枝城至沙市河段床沙级配模拟

三峡水库蓄水运行后,清水下泄,坝下游河道遭受持续冲刷,以致产生了不平衡的输沙问题,而床沙级配的变化又是其中不可忽视的原因之一。结合2015年7~9月长江枝城至沙市河段的冲刷过程实测资料,依据断面地形测量计算的冲淤变化结果以及河段进出口断面的悬移质级配成果,采用韩其为理论公式,对该河段的床沙级配进行了数值模拟计算,并运用实测数据对模拟的结果进行了验证。验证结果表明,在冲刷条件下,该方法基本上可以预测长江枝城至沙市河段沿程床沙的级配变化情况。该结论可为验证三峡水库坝下游的不平衡输沙理论提供实例证据。     

WAVE BOTTOM LAYERS DYNAMIC WITH SUSPENDED SEDIMENT OVER VORTEX RIPPLES

Vortex ripple is widely formed in the coastal region, and the dynamic of vortex is quite important because it is responsible for sediment transport. The flow structure around the vortex ripples can be modeled as 2D flow due to the geometry of the flow boundaries. In this paper, 2D Large-Ed-dy-Simulation (LES) method was used to predict the flow structure and the dynamic of vortex in the bottom layers under the action of the wave, the numerical simulation results show a completely process of vortex formation, evolvement and disappearance. Based on the study of flow structure, the suspended sediment transport was modeled in present paper. The simulated sediment concentrations were compared to measurements from the literature. The agreement between the time averaged simulated concentration profiles and measurements is satisfactory. For a high setting velocity, the suspended sediment is confined to the vicinity of the bed, and it is dominated by the local bottom shear stress. For a small setting velocity, the suspension is more dominated by the characteristic of vortex. There are two suspended sediment transport peaks observed in the cross-section at the trough and crest in the half period, the second peak is due to the separation bubble taking the sediment.