平面二维全沙数值模拟方法及其应用

采用有限体积法对正交曲线坐标系下的平面二维水沙微分方程进行了离散,建立了平面二维全沙数学模型.在一概化的单边突然扩宽河道中对河床冲淤过程中悬移质含沙量及其级配、推移质输沙率及其级配、床沙级配等沿时空变化特性进行了计算分析,并模拟出了由河床冲刷引起的床沙粗化、抗冲层的形成过程以及河床淤积过程等泥沙特性的变化.数值计算结果表明,该模型在定性上能正确地模拟水流以及河床的冲刷、淤积过程.     

考虑粘性泥沙运动的黄河口二维水沙输移数学模型

为研究黄河口的水沙输移规律,采用基于无结构三角网格下的有限体积法建立了平面二维水沙数学模型.模型中分别采用不同方法处理粘性和非粘性沙的输移源项,并引入经验证的粘性沙输移源项改进公式.采用已有的概化水槽冲淤试验资料对模型进行了验证,然后应用于1982年6月至1983年5月期间黄河口水沙输移的数值模拟,计算得到的潮位过程及冲淤量与实测资料符合较好,结果表明模型能够较好地模拟考虑粘性沙运动的黄河口非均匀沙不平衡输移.最后比较了不同泥沙输移源项处理方式对模拟结果的影响,计算表明在黄河口水沙输移数值模拟中需要采用非均匀沙模型并同时考虑粘性和非粘性泥沙的输移.     

冰凌输沙研究综述

本文概述了冰凌输沙研究的发展概况,如冰凌输沙的基本类型,冰凌的挟沙能力,河流冰期泥沙分布以及输沙率的计算方法;讨论了冰期电厂取水口的防冰、防沙问题.指出冰凌输沙在野外观测、物模实验以及数值模拟等方面都有待进一步完善和发展,对防止冰凌输沙淤积的措施也有待于进-步研究.     

水库坝区冲刷漏斗的形成机理

为阐明水库冲刷漏斗的形成机理,开展坝区泥沙淤积的三维数值模拟研究.三维水沙数学模型使用平面非结构、垂向sigma网格和θ半隐、欧拉-拉格朗日追踪等数值方法,具有良好的复杂边界适应能力和计算稳定性.根据一、三维数学模型对比计算分析,确定三维数学模型的参数;在此基础上,采用三维数学模型模拟完整的水库坝区泥沙淤积过程.模拟Karot水库坝区20a的泥沙输移与淤积过程,得到了坝区水沙因子和河床冲於分布.结果表明:水库中泥沙主要沿着主流通道输运和淤积,与此同时,在该通道两侧、出流孔前平面环流的作用下折射挟沙水流形成集中淤积;随着水库运行年限增加,库区的高滩深槽逐步向水库出口推进,在坝区两侧集中淤积体之间、出流孔口前逐渐形成冲刷漏斗.     

山区河流宽窄相间河段山洪水沙输移2维数值试验

山区河流山洪过程常挟带大量泥沙,并引发河床剧烈变形,尤其是宽窄相间河段河床急剧调整、水位陡涨极易增加展宽河段的洪水淹没风险,深入研究山洪演进的水沙输移及河床变形对于防洪减灾具有重要意义。本文采用二维水沙动力学数值试验探究了上游来沙变化条件下宽窄相间河段水沙输移及河床变形过程。结果表明：当上游来沙充足时,洪水携带泥沙在展宽段淤积、缩窄段冲刷,河床在泥沙输移过程中整体上抬;而当上游没有来沙时,河床整体呈现下切趋势。究其原因,主要在于河道饱和输沙导致河床整体淤抬,而河床淤抬导致上游水位陡涨增加水面比降,床面切应力变大,从而提高河道输沙率,而宽窄河段床面起伏则增大床面形态阻力,促使上游水位上涨;泥沙来量较少时,河床冲刷为主,水位下降、水面比降趋于变缓。     

水库下游非均匀沙恢复饱和系数特性

泥沙恢复饱和系数是泥沙数学模型中一个非常重要的参数,其取值合理与否将直接关系到利用泥沙数学模型进行河床演变及相关研究的成败.基于三峡水库蓄水后长江中游荆江河段的实测水沙资料,以本河段三峡水库蓄水前多年平均输沙水平作为泥沙输移方程中的挟沙能力,对水库下游非均匀沙恢复饱和系数进行了率定与分析,并在总结其规律的同时从多个方面...     

黄河河口泥沙控制的模拟研究

为了深入研究河道治理和引渠设计等工程中的冲淤控制问题,根据泥沙冲淤的自组织特征,即河流所具有的冲刷与淤积间的反馈自调节机制,建立了河流网上泥沙输移的动力学模型.利用该模型通过调节输沙比例对黄河下游河道的减淤控制进行了数值模拟.分析表明,在清水期,干流河段的状态近似于稳态,此时可以通过调整某一支流的流量来减少下游的淤积;在由清水向浑水的过渡期,河流的冲淤状态处于瞬态,此时可以通过向位于开始淤积河段处的支流注入清水的办法,使下游河段由淤积转变为冲刷.该方法类似于近几年黄河上实施的调水调沙试验,即"大水冲刷,"但差别在于该方案是引清水,而调水调沙试验是加浑水.研究结果表明,针对不同时期的2种控制手段都能实现对下游河段的减淤增排,能够对相应的工程问题提供启示和借鉴.     

山区变比降河道卵砾石溯源淤积的数值模拟

山区河床组成多为宽级配卵砾石颗粒、沿程河床比降陡缓相接,受泥沙补给及水流过程影响,不同河段冲淤变化复杂多变,溯源淤积引发山洪现象频繁发生。为探究泥沙补给条件的变化对于山区河流河床冲淤变形以及水位变化的影响,作者以变坡陡比降河道为研究对象,通过计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)与离散元(discrete element method,DEM)耦合的方法对不同来水来沙条件下典型山区河道中卵砾石的溯源淤积过程进行了数值模拟,并将计算结果与室内水槽试验结果进行了比对。计算结果表明:强输沙水流由陡比降河道进入缓比降河道后,泥沙一旦在下游发生淤积,便会迅速向上游传播,进而导致河床大范围淤积抬高。溯源淤积的起始位置,发展速度以及淤积床面的厚度与上游泥沙补给强度、水流速度、颗粒粒径等因素有关,来流流量越小、泥沙补给强度越大,溯源淤积的起始位置越靠近河道上游,淤积发展速度越快,淤积床面厚度越小。泥沙淤积会导致淤积段沿程水位显著升高,在淤积锋面处,水位变动最为剧烈,水位增加明显,随着溯源淤积的继续发展,该位置处的水位会稍加回落并且趋于稳定。由此可见,山区河流泥沙补给条件的改变对于河床变形以及水沙灾害具有重大的影响,为揭示山洪泥沙灾害的致灾机理提供了理论基础。     

考虑泥沙分选及床沙级配调整的二维数值模拟研究

在正交曲线坐标系下建立平面2维河流数学模型,包括水流模型、泥沙模型。在前人研究成果的基础上,通过修正泥沙模型中非均匀沙挟沙力公式以考虑泥沙分选影响;并根据近底床沙质量守恒方程计算床沙级配调整。利用seal水槽下游细化试验资料,对模型进行了验证,结果表明,本模型能够合理模拟水槽地形及其床面泥沙分布变化,反映试验水槽沿程细化的趋势,具有研究实际河道河床变形及床沙分布变化的潜力。     

一维悬移质泥沙数值模拟及其应用

针对传统有限元方法在求解以对流作用为主的泥沙运动方程时所遇到的困难，应用特征有限元方法建立了一维悬移质泥沙对流扩散方程的数值模型并进行了误差分析．利用Matlab数值计算软件编程对水沙模型进行了数值计算，从数值解与解析解的对比以及对河津站1969～1999年实测数据的数值模拟结果可以看出：数值模型对河津站31年的含沙量有较好的模拟，所得数值模型可用于对含沙量较高河流在一段时间内进行模拟。     

来沙条件变化对河床形态及推移质运动的影响

摘要：针对山区河流的来沙条件的不确定性导致的河流形态变化的问题,根据J . G. Venditti的系列来沙条件变化水槽试验成果,引入无量纲参数河床结构强度Sp,充分考虑推移质泥沙运动特性,探讨了来沙条件变化对卵石河床形态、推移质输沙率和河床级配的影响。结果表明:在已经粗化的河床上加入细沙会对河床形态、推移质输沙率和河床级配产生影响。加入细沙会造成河床重新出现冲淤变化,底坡变大,冲刷变严重,最终降低河床结构强度Sp;加沙会增大推移质输沙率,其中中值粒径为3mm的细沙运动表现为行进推移质,而中值粒径为8mm的粗沙运动表现为结构推移质;加入细沙后会细化河床,且加入的粒径越小,细化效果越明显,加入中值粒径为3mm的细沙后推移质的中值粒径先减小后增大,与加入中值粒径为8mm的粗沙后推移质的中值粒径先增大后减小相反。     

河道水流泥沙运动一维、二维模型嵌套及交界面连接问题

本文导得了河道水流泥沙运动一维、二维模型交界面连接的一般条件,对交界面上水流阻力、悬移质挟沙力、推移质输沙率、河床变形及床沙级配的一维、二维模型不匹配问题进行了合理处理,建立了河道水流泥沙运动一维、二维嵌套数学模型。     

采砂区布置对分汊河道的影响分析

以长江天兴洲河段为例,应用平面二维水沙数学模型,采用实测水沙数据进行率定与验证,模拟了不同流量级下采砂区相对分汊口距离不同采砂后分流比、水位和流速变化规律,模拟结果表明,在相同水流条件下,随着采砂区距分汊口距离的增加,采砂后主汊分流比与河段水位和流速变化都呈先增后减的规律.进一步选取2004年作为典型水沙年预测采砂后河段冲淤变化和回淤率,预测结果表明,河段总的冲淤量随着采砂区相对分汊口距离的增加呈先减后增的规律,而采砂区回淤率呈先增后减的规律.模型成果可为本河段采砂的可行性和采砂规划控制提供科学依据.     

鹅头型汊道首部水流、泥沙运动的探讨

本文首先根据概化的分汉河道模型(八卦洲汉道)实测资料,对汉道首部水流运动特性作了试验研究,着重强调了支汉倒坎的存在对水流结构所起的作用,并指出汊道分流是自河底开始沿流程向水面逐渐完成的。同时获得该汉道存在单向环流的试验成果。其次,根据水流分汊导致环流存在的特点,引用弯道环流横向输沙概念,进而从环流角度分析汉道的泥沙横向输移,并提出了泥沙横向转移的两种运动形式:“主汉转移”、“支汉转移”。最后,根据汉首河床特征与水、沙特征,建立了综合考虑纵向、横向输沙的分沙模式,并给出了主汉分沙比计算公式(12)、(14),经过验证,比较符合实际。     

Effect of suspended sediment grain size on channel sedimentation in the lower Yellow River and some implications

Based on the data of suspended sediment transport and channel sedimentation in various grain size fractions in the period of 1962―1985, the relationship between channel sedimentation in the lower Yellow River and sediment input has been plotted with respect to each grain size fraction. Several fill-scour thresholds in sediment input have been identified from these graphs. It was found that the fill-scour threshold in sediment input decreases with the increase in fraction grain size. The correlation coeffici...     

采沙河流二维水沙耦合数学模型

对引进的采沙河流二维水沙数学控制方程组进行系列变形和化简,并利用逆风格式和ADI法及有限差分法对方程组进行离散求解,建立了采沙河流平面二维水沙耦合河流数学模型.与传统的河流数学模型相比,该模型中加入了反映采喂沙活动影响强度大小的参数采沙通量Fm与喂沙通量Ff,可反映出河流采喂沙活动对河床变形影响的持续性和同步性,可以精细地模拟和描述采沙河流中的水沙运动变化情况.     

采沙河流二维水沙耦合数学模型

对引进的采沙河流二维水沙数学控制方程组进行系列变形和化简,并利用逆风格式和ADI法及有限差分法对方程组进行离散求解,建立了采沙河流平面二维水沙耦合河流数学模型．与传统的河流数学模型相比,该模型中加入了反映采喂沙活动影响强度大小的参数采沙通量Fm与喂沙通量Ff,可反映出河流采喂沙活动对河床变形影响的持续性和同步性,可以精细地模拟和描述采沙河流中的水沙运动变化情况．     

泥沙补给变化下山区河流河床适应性调整与突变响应

针对泥沙运动力学经典理论体系与天然山区河流推移质运动存在显著差异的若干基本问题,开展山区流域沙量补给条件变化下,山区河流河床调整与突变响应机理研究。揭示了泥沙补给条件对非均匀卵石起动、输移的影响特征和卵石沙量补给与山区河流沙波形成、碍航机理;探索了泥沙补给变化下陡坡河道水沙运动奇异特征和宽窄相间漫滩复式航槽河床突变响应现象。采用水沙错峰、水沙分离等集结降阶技术手段调控洪峰时段成灾河段卵石沙量补给条件,是山洪泥沙灾害致灾风险降阶防控的核心。     

长江宜昌站沙质推移质输沙规律

现有几家起动公式中的K值不能够准确预测长江宜昌站沙质推移质输沙规律。对宜昌站1956年到1964年和1973年到1974年11年的246组沙质推移质实测水力、泥沙因子资料进行统计分析,将沙质泥沙近似作为均匀沙处理,从均匀沙的起动特点出发,通过分析泥沙颗粒受力和起动模式推导得出宜昌站沙质推移质起动公式,并且公式中的K值随着流量的变化而变化,呈指数分布。在此基础上进而建立了适合宜昌站沙质推移质输沙率公式,并用宜昌站1975年沙质推移质资料对公式进行验证,按公式计算的起动流速和输沙率与实测值比较,获得满意结果。     

Modeling sediment transport in the lower Yellow River and dynamic equilibrium threshold value

1IntroductionTheYellowRiverbasin,knownasthecradleoftheChineseculture,hasalargepopulationandisrichinnaturalresources.ThisregionanditseconomicconditionshavebeenimprovedquicklysinceChina’seconomicreformandopening-up.However,thewaterresourcesandtheirenvironmentalissueshavereceivedlittleattention.Thesedi-mentconcentrationintheYellowRiverissohighthatthedepositionontheriverbedmakestheriverbedelevationhigherthanthegroundoutsidetheriverbanks,whichleadstothefamous“suspendedriver”sceneintheregion.P…