河道演变三维数值模拟计算网格的选择和生成研究

该文提出了由自适应三维网格和固定矩形网格组合的“双网格”方法来模拟非均匀边界条件控制下河道演变的思路。自适应三维网格在平面和立面上分别采用正交网格和σ网格。实现了能够根据自由水面、河岸和床面地形变化作出实时调整的三维自适网格的生成。为了记忆河道演变可能涉及的外围区域的地形、地质和泥沙级配等信息，采用固定不变的矩形网格来存储相关数据。两套网格之间的数据插值转化采用双线性插值方法。“双网格”方法和相应的算法为非均匀边界条件控制下河道演变的数值模拟提供了保证。最后给出了网格生成和应用的3个实例。     

矩形明渠三维紊流的数值模拟

在明渠三维流动中，紊流产生的二次流起关键作用，它对主流流场分布，壁面应力及污染物的扩散有很大影响，有时还影响床面的稳定，Ｋ－ε紊流模型及类似的双方程模型不能计算这种二次流动。本文将非线性Ｋ－ε紊流模型用于明渠三维紊流的计算，模型用张量形式推出，比代数应力模型更易推广到复杂边界流动，应用这一模型及另两种代数应力模型对矩形明渠流动进行计算，所得结果，尤其是表述紊流特征的量，与实测资料进行了详细比较，并     

波浪作用下污染物的混合和离散

本文建立了基于Sigma坐标的对流扩散数学模型，提出了通过数值模拟结果计算波浪场中纵向离散系数的方法，并通过数值模拟对波浪作用下污染物的混合和离散进行了研究。文中研究了水质点垂向振动和波浪参数对混合过程和纵向离散系数的影响；非各向同性扩散系数对纵向离散系数的影响；以及扩散系数的垂向分布对纵向离散系数的影响。研究结果表明，水质点的垂向速度对纵向离散系数有显著影响；若按波浪场中常用的湍流模型确定湍动扩散系数的分布规律，扩散系数的垂向分布对纵向离散系数的影响并不明显。     

潮汐和季风作用下渤海湾水交换研究

渤海湾毗邻我国北方重要的经济带——环渤海经济圈,高污染负荷使其面临巨大的环境压力。水交换能力是影响渤海湾环境容量的重要动力学因素,其中潮汐和风应力是渤海湾水交换的关键驱动因素。本文针对渤海湾的水交换问题建立了基于欧拉观点的水龄模型,通过对比潮汐单独作用下与潮汐和季风共同作用下渤海湾内水龄的时空分布特征,研究了这两个因素在渤海湾水交换中的作用。研究结果表明,季风使得渤海湾与外海的水交换明显加快,是影响渤海湾物理自净能力的重要因素。对渤海湾水龄的季节变化分析表明,冬季渤海湾与渤海中部水交换较强,夏季较弱。     

水平轴潮流发电机作用下流场的动态模拟

该研究的主要目的是寻找一种新的模拟方法,尽量精细地模拟出大范围流场中潮流发电机与流场的相互作用。根据这一目标,提出一种耦合叶素模型的水平轴潮流发电机的表示方法,并将它集成到有限差分算法之中。利用集成后的模型,对实验室尺度的水轮机阵列实验进行模拟,并将模拟结果与实测数据进行对比。实验结果表明,该耦合模型可较好地模拟出水轮机阵列下游5倍直径以外的流场分布。     

高原宽谷河段河床粒径与辫状形态特征研究

我国西南高原地区的河流在地质作用和河流动力过程等因素的塑造下,河谷形成宽窄相间的藕节状,其中宽谷河段呈现独特的辫状河流地貌,洲滩林立与汊道纵横的不规则形态特征十分显著。本文对其典型宽谷河段的泥沙粒径与河流地貌进行了现场观测,并根据卫星遥感影像资料解译了河道几何参数与洲滩几何参数等辫状地貌特征指标。泥沙柱状样和表层样的对比结果表明,目标河段内泥沙粒径沿程先增大后减小,表层河床组分以中、细砂为主,泥沙粒径垂向分布较均匀;遥感影像解译结果表明研究河段地貌特征在洪、枯季存在的显著差异,可通过基于汊道和洲滩参数的地貌参数进行描述。研究成果可为高原典型宽谷河段的河流形态和泥沙运动研究建立一定的基础。     

流量非恒定性对河道演变影响机理的研究

河流流量在自然条件下大多都有一定的非恒定特性,它是河道演变的重要动力因素。为了增加流量非恒定性对河道演变规律的认识,课题开展了概化的物理模型河流试验,对不同流量过程作用下河道地形的变化进行了精细测量。模型试验包括三个组次:恒定流量试验、突变流量试验和渐变流量试验。突变流量试验和渐变流量试验的结果以恒定流量试验作为参考进行对比分析。试验结果表明:1在上游斜道和二次流作用下河道发展出滩槽结构,浅滩包括两个部分,滩面较高的部分起到导流的作用,使得水流主流蜿蜒向前,并保护了滩面较低的浅滩不受主流侵蚀作用;2流量的非恒定特性使得原有的滩槽结构不断破坏,岸滩变得平整,主流变浅;3具有较大流量波动强度(均方差)的流量过程具有更强的岸滩冲刷能力,使得河道展宽增加。     

模拟非线性水波的一种有限元方法

由于自由水面由复杂的非线性方程组控制和开边界条件难以确定这两个问题的存在,使得数值模拟非线性水波非常困难。 本文提出一种模拟非线性水波的有限元方法。假设水波运动为有势流动,对二维问题进行了计算。 采用一种类似于隐式欧拉公式的迭代方法计自由水面位置η与自由水面上势函数Φ随时间变化;在计算域内用有限元法解Laplace方程。为能保证自由水面上势函数一阶导数(流速)的连续性,采用Lagrange型八节点形函数为坐标变换函数,Hermite型三次形函数为速度势插值函数。 对开边界问题,本文提出了一种近似求解方法,此方法不同于以往在固定的时空步长上进行计算的作法,而是根据特征线法思想计算开边界处波的传播过程,从而解决了开边界条件中波速C难以确定的问题。 为了验证上述方法,对几种典型的水波问题(含开边界与不含开边界)进行了计算,计算结果基本合理。     

城市暴雨地表积水过程研究：以清华大学校园为例

我国正处于城市化的高速发展阶段,不透水地表面积增大,导致城市内涝风险增加。本研究考虑建筑物、道路、绿地和雨水口等城市地物特征,旨在对降雨-径流过程进行精细模拟,对地面排水系统的能力进行评估。采用二维水动力学模型,以北京市清华大学校园为研究区域。通过两场降雨过程中积水点的实测水深对水动力学模型进行率定和验证,结果表明该高分辨率模型能够比较准确地计算出地表积水深度。在采用压强式水位计记录降雨过程中积水点压强时,必须同时记录大气压强的变化,否则水深会有一定的误差。基于上述结果,以2012年7月21日暴雨为例,对清华大学校园进行大暴雨情景的地表积水过程模拟,结果表明雨水口总排水量随降雨过程变化较大,地表积水主要通过雨水口排走,降雨结束时雨水口排水总量约占降雨总量的70.0%,而土壤入渗量较少,仅占降雨总量的11.1%。