海湾潮流运动的三维数值模拟研究

针对平面二维数学模型在预测分层流等方面的不足,考虑到海湾岸线和海底地形的复杂性,采用非结构网格上的有限体积法建立了海湾潮流运动的三维数学模型。模型垂向采用σ坐标,动量方程求解考虑地球自转科氏力。数学模型求解采用显式差分技术,采用CFL数作为迭代计算的收敛控制条件。以深圳大鹏湾为例,采用三维数学模型计算了典型大潮、小潮条件下的水动力场。对不同潮型下的潮流流速、流向进行了验证,对湾内的潮流流场进行了分析。结果表明:三维数值计算结果和实测数据符合较好,证实了三维数学模型的可靠性。     

瓯江口潮流数值模拟

建立了时间二次插值的三角形网格显式差分数学模型,从而提高了原三角形网格显式数学模型［1］的稳定性和精度。使用三角形网格全自动剖分技术进行网格剖分,使用"干湿"判别法处理了露滩问题,用两套节点关系处理潜堤问题,对大范围(既有细长河道又有大面积海区)、多岛屿、地形及流态复杂的瓯江口海区的潮流场进行了成功的模拟。并根据模拟结果,对瓯江口海区的潮流特征进行全范围的分析介绍。     

黄河口潮流数值模拟

应用二维非恒定流方程和破开算子法，数值模拟了黄河口附近海域潮流运动规律，并对动边界和潮位边界的处理作了探讨，实测资料验证表明，本文建立的数学模型能较好模拟黄河口附近的潮流场和潮位场。     

基于FVCOM的强潮海湾三维潮流数值模拟

采用三维非结构网格、有限体积的河口、陆架和海洋模型FVCOM模拟强潮海湾三门湾的三维水动力特征.模拟研究表明:FVCOM模型能很好地用于类似三门湾这样的具有复杂岸线、地形、多汊道的强潮海湾;由于垂向混合较强,三门湾表、底层的流场及余流场结构基本一致;受大柴门、田湾山诸岛复杂岸线、地形影响,大柴门、田湾山诸岛连线以西诸水域,余流总体上指向东南向外海;大柴门、田湾山诸岛连线以东至花岙岛的满山水道水域,余流呈顺时针环流结构,最终沿石浦水道净泄入海;FVCOM模型的干湿判别功能基本能较好地反映涨落潮过程中强潮海湾的滩地出露特征.     

基于EFDC的九龙江口-厦门湾三维潮流及盐度数值模拟研究

环境流体动力学模型(EFDC)集水动力模块、泥沙输运模块、污染物运移模块和水质预测模块于一体,可以用于河流、湖泊、水库、湿地和近岸海域一维、二维和三维物理和化学过程的模拟。为了研究岛屿多、岸线地形及流态复杂的九龙江口-厦门湾水动力过程,该文将EFDC模型运用于该水域三维潮流及盐度场的数值模拟,对比实测资料校核了模型参数,利用实测潮位、流速和盐度数据对模拟结果进行了充分的验证,吻合度高。该水域属于规则半日潮类型,平均涨、落潮历时约6 h;潮流以往复流运动为主,表层流速最大可达2 m/s;低平潮前后出现面积合计约74 km2的多处露滩;发现河口区分层及不同类型的盐度锋现象均在低潮后1 h时最显著。结果表明,该模式成功复演了九龙江口-厦门湾潮汐潮流和盐度场的时空变化过程,适用于模拟和分析河口及近海海域的水动力场。     

三维潮流温度数值模型研究及应用

为了正确评估潮汐河口热电厂温排放对受纳水体的环境影响,河口地区的潮流场与温度场的数值计算非常重要。建立了三维潮流温度数学模型,模拟电站温排水的稀释扩散规律,分析温升场的变化特征。并以澳门路环发电厂为例,对本模型进行了应用,取得了比较满意的结果。     

长江口水流盐度数值模拟

利用长江口平面二维水流盐度数学模型，模拟计算了4种水文组合条件下径流和潮流对盐水入侵的影响．探讨了长江口拦门沙地区盐度随水流的扩散输移规律．利用长江口北槽三维水流盐度数学模型分析了盐度梯度引起的斜压项对水流的影响，以及航道增深对盐水入侵的影响．     

同时存在温度和盐度梯度的分层流的数值模拟

本文对同时存在温度和盐度梯度的一类密度分层流进行了数值模拟,其中紊流平均量控制方程中的紊动项由一个简化的紊流应力/通量代数模型计算。计算结果正确地反映了分层及紊动特征,与实测结果吻合较好,而用k-ε紊流模型计算的结果与实测结果不符。     

直叶H型潮流水轮机三维数值模拟

为了探究直叶H型潮流水轮机水动力性能的影响因素,在理论分析的基础上,应用大型建模软件UG建立了直叶H型潮流水轮机三维模型,基于滑移网格技术采用Fluent软件对水轮机模型进行三维数值模拟,在保持直叶H型潮流水轮机叶片翼型一定、水轮机密实度相同的条件下,通过改变转轮叶片数以及来流速度,分析了潮流水轮机水动力性能。结果表明,叶片数对直叶H型潮流水轮机水动力性能影响很大,叶片数越多,输出扭矩值越小,当叶片数为3、叶尖速比为1.63时,水轮机最高获能系数为31.21%。     

田湾核电站海域潮流泥沙数值模拟研究

建立了基于不规则三角形网格的考虑波浪及其破碎作用的潮流泥沙数学模型,在对模型进行充分验证的基础上,对田湾核电站海域的潮流泥沙进行了数值模拟,对潮流场泥沙场特征进行了分析;对连云港港口扩建(旗台港区建设)规划方案对田湾核电站已建取水工程的影响进行了数值模拟研究,计算了取水明渠口门附近岸滩的冲淤变化及取水口设计水深等深线的位移.研究结果表明:连云港港口扩建后,已建的田湾核电站取水明渠口门附近水域变成泥沙淤积环境,滩面将会淤高,设计的取水口门水深等深线将会外移,核电站正常取水将会受到影响.     

Numerical simulation of water quality in Yangtze Estuary

In order to monitor water quality in the Yangtze Estuary, water samples were collected and field observation of current and velocity stratification was carried out using a shipboard acoustic Doppler current profiler (ADCP). Results of two representative variables, the temporal and spatial variation of new point source sewage discharge as manifested by chemical oxygen demand (COD) and the initial water quality distribution as manifested by dissolved oxygen (DO), were obtained by application of the Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC) with solutions for hydrodynamics during tides. The numerical results were compared with field data, and the field data provided verification of numerical application: this numerical model is an effective tool for water quality simulation. For point source discharge, COD concentration was simulated with an initial value in the river of zero. The simulated increments and distribution of COD in the water show acceptable agreement with field data. The concentration of DO is much higher in the North Branch than in the South Branch due to consumption of oxygen in the South Branch resulting from discharge of sewage from Shanghai. The DO concentration is greater in the surface layer than in the bottom layer. The DO concentration is low in areas with a depth of less than 20 m, and high in areas between the 20-m and 30-m isobaths. It is concluded that the numerical model is valuable in simulation of water quality in the case of specific point source pollutant discharge. The EFDC model is also of satisfactory accuracy in water quality simulation of the Yangtze Estuary.     

弯曲河道对水流流态影响数值模拟

蜿蜒型河流是冲积平原常见的河型之一。针对具体河流的特定自然条件,需要对不同河道形态下的河道特性做出预测,以便选择和调整相应方案。采用集水动力模块、泥沙输运模块、污染物运移模块和水质预测模块为一体的环境流体动力学模型,利用计算机进行数值模拟,对京郊某弯曲河道3种河道形态在50年一遇洪水过程下进行数值模拟,在此基础上对3种工况下河道的水流特性进行分析,发现工况一弯道处凸岸流速先增加后减小,凹岸流速先减小后增大,凹岸水位明显高于凸岸水位;工况二两岸流速分布较为对称,叉道起到分洪滞洪作用;工况三两岸水流摆动现象不如工况一明显,衬砌工程量较小,并提出相应河道保护措施。     

三维过坝水流数值模拟

三维过坝水流是一种具有自由表面的临界流动，即使在势流假设下，因其非线性强，数值求解时也会遇到较大困难，目前尚未见到有效势流解法。本文提出一种正交调和变换法，可方便地采用笔者曾提出的自由表面位移理论，同步解出待定的自由表面位置和未知能头（或流量）。算例表明，该三维过坝水流的计算方法是成功的，计算结果与试验值吻合较好。     

九龙江口-厦门湾悬沙浓度及多岔口潮汐汊道泥沙输运的数值模拟

基于环境流体动力学模型(Environment Fluid Dynamic Code/EFDC)水动力和泥沙模块,该文针对九龙江口-厦门湾水域潮动力强、浅滩面积大的特点建立二维潮流泥沙数学模型并利用实测数据进行校验。模型精简适用,成功反演了该水域的水动力场和悬沙浓度场,并能正确反映浅水区域的水沙运动特征。结果表明:在潮流作用下,厦门湾水体中悬沙浓度由外向内递增,悬沙随着潮流的涨落在湾内外作中-长距离的往复运动。湾内特别是浅滩区,大潮期悬沙浓度大于小潮期且浓度随潮变化明显,小潮期悬沙场则较为稳定。采用抓斗式挖泥船(源强Q=7.5 t/h)在翔安东南侧浅滩疏浚作业对邻近保护区基本无影响,但翔安南部"五岔口"型潮汐汊道存在能远程输运近岸疏浚泥沙的"泥泵式"水动力场,促使形成环绕厦门岛东海域的带状悬沙分布,该文进一步揭示了形成该分布的水动力机制。增大疏浚强度可导致白海豚保护区被污染,悬沙带宽度增大,浓度上升。     

瓯江口内外潮汐不对称研究

基于对瓯江口内外2005 年6—7 月多个潮位站15 d 的实测潮位资料分析,利用3 种方法研究了瓯江口 潮汐不对称现象及其在时空上的变化特征与机理. 研究认为,在理论上传统地采用M2 与M4 分潮的相对振幅判 断潮汐不对称的方法不完善,潮汐不对称不仅受到相对振幅的影响,而且受到其相对位相的影响,同时其他分 潮的相互作用也是导致河口、近岸潮汐不对称的重要因素. 瓯江口潮汐属正规半日潮,潮汐不对称的产生主要 是由于M2 分潮及其倍潮M4 的相互作用. 潮汐不对称的空间变化主要表现在沿河道的纵向上,即潮汐在纵向上 由口外向上游不对称逐渐增强. 在横向上,口门外由于地形开阔,水深较大,潮汐不对称不明显且无明显变化趋 势. 在时间上,潮汐不对称在大-小潮期间具有明显变化,表现为大潮期最为明显,远大于小潮期. 因此可以认为 潮汐不对称在大-小潮期间的变化是低频分潮Msf 分潮所致.     

潮-径相互作用下大辽河口潮能通量的数值模拟

基于FVCOM建立大辽河口水动力数值模型,用数值模拟方法计算分析了潮-径相互作用下大辽河口潮能通量分布与沿程变化特征。结果表明:沿程动能空间分布与水深分布一致,势能空间分布与潮差变化一致且在沿程能量组成中占主要部分;枯水期潮能通量影响范围最远,且潮能通量总体最大,高能通量区集中在深槽和河道断面狭窄处,低能通量区在河口附近潮滩与上游河段;入海口门附近潮能通量方向在丰水期指向外海,在枯水期方向相反。研究结果可为河口沉积动力过程方面的研究提供参考。     

往复流作用下海底管线冲刷模拟研究

海底管线冲刷悬空是诱发管道涡激振动破坏的一个主要原因。为更好地对管线冲刷悬空情况进行评估,本文应用水动力-泥沙冲刷耦合模型,对往复潮流作用淤泥质海床海底管线局部冲刷过程进行了模拟研究,模型采用标准k-ε紊流方程对N-S方程进行封闭,控制方程采用有限差分法进行离散,模拟结果表明,双向潮流作用下,管道局部冲刷轮廓基本呈现对称状态,其最大冲刷深度位置因水流流速的转向而有所摆动,往复流引起的冲刷深度较恒定流情况减小约20%左右。