河道三维错层的水流泥沙数学模型

应用垂向坐标变换,结合水平有限元、垂向有限差分的分层方法建立了河道拟三维水流泥沙数学模型．对过流断面变化剧烈的河段提出了错层计算方法,弥补了同层网格垂向落差较大的分层模型缺陷．利用水流泥沙理论解对模型计算结果进行了验证．采用该模型对海河下游河段穿河隧道施工过程中主体隧道悬浮于主流区时的水流泥沙情况进行了数值模拟,流速模拟结果与半理论半经验公式估算结果基本一致,为明渠流和河道中悬浮建筑物下压力流的混合计算提供了一种新的计算方法,拓展了三维分层水流泥沙数学模型的应用空间．     

一维全沙泥沙输移数学模型及其应用

研究一维全沙泥沙输移(悬移质泥沙和推移质泥沙)数学模型及其应用．中对比了国内外常用模型的特点,结合笔在一维全沙泥沙输移数学模型计算中的经验,分析各模型的差异,特别是针对模型中有关参数的选择进行讨论和分析,在此基础上建立一维全沙泥沙输移数学模型SFST—1D．并将该模型分别应用于深圳河治理环境评价、波迪一科西工程沉沙池计算等工程实例之中。     

永定新河挡潮闸运行方式研究

根据感潮河道水沙运动特点,建立了适用于有闸河道的一维泥沙、水质数学模型,可以对闸门不同运行方式下水流、泥沙、污染物运动进行模拟。并运用该模型,对永定新河蓄淡、蓄成两种闸门利用方式下泥沙、污染物运动进行了研究,为闸门运行方式的选择提供了依据。     

银洲湖水域强潮河段悬移质输运模型

利用平面二维水动力及泥沙输运模型、有限元法对银洲湖及邻近水域内的悬沙输运、流速分布、水流平面形态等进行了数值模拟计算.其中黏性泥沙输运模型考虑侵蚀和沉积剪切应力.计算结果与实测结果比较表明:银洲湖水域的潮流大体上呈现沿航道南北向的往复流,径流和潮流是银洲湖水域的主要动力因素,细颗粒悬浮泥沙输运是该水域泥沙的主要运动形式;平面二维水动力及泥沙输运模型能较好地复演银洲湖水域的潮流泥沙场,可用于实际工程潮流泥沙场的计算.     

悬移质不平衡输沙模型的特征

为探求悬移质不平衡输沙过程中水流运动、泥沙输运及河床变形的相互作用机制,完善一维水沙数学模型的基本理论并使其具有更广泛的应用性,基于双曲系统特征理论及奇异摄动理论系统研究了一维悬移质不平衡输沙模型的特征值、特征向量及特征关系,并通过渐进展开方法推求了一维耦合水沙数学模型的特征值.研究结果表明:现有多数模型在特征上无法耦...     

曲线坐标系下考虑植被影响的k-ε-A_p固液两相双流体湍流模型

该文建立了曲线坐标系下考虑植被影响的三维k-ε-Ap固液两相双流体湍流模型,模拟弯曲渠道内布置水生植被后水流和泥沙的运动结构以及弯道内的河床变形.通过模拟试验室60°弯道内流经植被的水流流速平面结构和断面分布,验证了模型中液相模块的准确性.通过模拟60°弯道内不同植被布置情况对水流泥沙运动和床面变形的影响,验证了模型中床面变形模块的准确性.数值结果较好地再现了试验规律.计算结果表明在弯道内布置植被改变了水流流速分布,植被覆盖区域的水流流速明显降低,泥沙运动减弱;非植被覆盖区域的水流流速增大,泥沙运动加剧;合理布置植被可以减缓弯道凹岸的泥沙侵蚀;数值计算结果和试验结果之间的比较表明三维k-ε-Ap固液两相双流体湍流模型处理推移质运动的方法比三维单流体模型更加合理.     

曲线坐标系下考虑植被影响的k-ε-Ap固液两相双流体湍流模型

该文建立了曲线坐标系下考虑植被影响的三维k-ε-Ap固液两相双流体湍流模型,模拟弯曲渠道内布置水生植被后水流和泥沙的运动结构以及弯道内的河床变形.通过模拟试验室60°弯道内流经植被的水流流速平面结构和断面分布,验证了模型中液相模块的准确性.通过模拟60°弯道内不同植被布置情况对水流泥沙运动和床面变形的影响,验证了模型中床面变形模块的准确性.数值结果较好地再现了试验规律.计算结果表明在弯道内布置植被改变了水流流速分布,植被覆盖区域的水流流速明显降低,泥沙运动减弱;非植被覆盖区域的水流流速增大,泥沙运动加剧;合理布置植被可以减缓弯道凹岸的泥沙侵蚀;数值计算结果和试验结果之间的比较表明三维k-ε-Ap固液两相双流体湍流模型处理推移质运动的方法比三维单流体模型更加合理.     

汉江白河水库泥沙淤积研究

通过一维水库泥沙淤积模型对白河水库泥沙淤积状况进行了计算,分析了水库淤积过程以及由于泥沙淤积而造成的变动回水区洪水位的抬高,为水库的规划设计提供参考.     

正交曲线坐标系准三维全沙数学模型

为了定量地预测规划河道特别是规划河堰附近的河床冲淤情况,做好拦河堰与河道的规划工作,建立了一个能考虑各泥沙粒径组的级配、流线曲率与流路曲率的差异以及能同时对推移质与悬移质泥沙进行计算的正交曲线坐标系准三维全沙数学模型.用正规划重建倒伏式拦河堰的某河的现有河道实测资料对该模型进行了验证.验证结果表明,冲淤计算结果与实测结果基本一致.以该河规划重建的倒伏式拦河堰为讨论对象,取其上下游一定的规划河道区间为计算河段,对设计洪水时的冲淤情况进行了模拟预测.预测结果表明:该模型的水位计算结果与一维非均匀流模型的计算结果基本一致并更符合河道的地形特征,河道冲淤趋势符合河道及水流的特征;规划堰上下游附近的河床冲刷量最大为3.0 m,整个计算河段的冲淤量也在-3.0~3.0 m范围内.可见,规划河道具有较好的稳定性,规划堰的选址是比较合适的.     

河流网泥沙输移的全周期动力学模型

在前期研究的基础上,依据黄河流域水沙变化特点,建立能够长时间反映河网上冲淤和水流携沙能力反馈调节规律的泥沙输移网络动力学模型.通过合理设值将黄河枯水期模型与丰水期模型进行连接,得到能够体现枯水、丰水周期更替的全周期模型.计算结果与河网上实测数据的比对,检验了模型的合理性,利用该模型可进一步研究黄河泥沙输移特点.     

黄河小浪底坝区蓄水过程泥沙数学模型的研究

考虑高含沙水流特殊的运动规律,选用适当的公式和参数,得到多沙河流平面二维水沙运动方程,用SIMPLER程式求解。求解过程中为提高数学模型的精度,根据高含沙水流特性,采用了将沙场与流场进行耦合计算的方法;对沙场收敛条件提出应满足含沙量场与挟沙力场均稳定的观点,并给出了具体的判断式;对恢复饱和系数的取值进行了有意义的讨论。利用数学模型对黄河小浪底坝区物理模型的蓄水过程进行了模拟,通过计算结果与实测物模地形变化的对比,验证了建立的数学模型的正确性。     

大丰港匡围工程对潮流泥沙影响的模拟研究

建立了大丰港临近海域平面二维潮流泥沙数值模型,模拟计算了研究区域大小潮特征时刻的水沙空间分布特征。模型利用实测数据进行验证,计算结果与实测潮位、流速、流向及含沙量数据吻合良好。在模型验证良好的基础上,模拟围垦工程建设前后周围流场和悬沙场的变化。研究发现:围垦工程使得工程向海一侧流速减小。对于悬沙浓度,涨急时刻工程北部含沙量减小,落急时刻工程向海测含沙量增大。     

龙穴南航道整治工程对潮流泥沙影响的模拟

建立了覆盖珠江河口河网区与口外海滨区的大范围整体平面二维水沙数学模型,模拟计算了珠江河口的水沙空间分布特征。利用近期伶仃洋水域实测水文资料进行了验证,验证结果表明模型能够较好地模拟珠江口的潮流泥沙运动。在此基础上,通过局部加密,模拟了龙穴南航道整治工程实施前后潮流泥沙运动过程变化,计算并分析了工程实施对周边水域水动力条件的影响和航道沿程的水流条件变化以及航槽泥沙回淤状况等。研究结果表明:龙穴南水道内,潮流为西北-东南方向往复流;整治工程后,上段流速略有增大,下段流速略有减小,但总体流速变化较小。泥沙回淤预测结果显示,出海口以上航道有冲有淤,以淤积为主,平均淤积强度为0.12 m/a;出海口航道整体处于淤积状态,平均淤积强度为0.64 m/a。     

水沙数学模型的认知与建立

针对模型认知、选取、网格划分、参数设定、模型率定和验证等方面对水沙数学模型国内外研究成果以及应用经验进行总结归纳,并指出常见误区。水流泥沙数学模型的建立应当以能够反映客观物理过程为出发点,模型使用者需要掌握一定的水流泥沙基础知识,充分了解研究区域的水流泥沙运动情况,合理高效建模。     

流域泥沙过程机理分析

黄土高原地质地貌复杂，是黄河流域的主要泥沙源区，并以黄土丘陵沟壑区和黄土高塬沟壑区为代表．沟壑区的不同部位具有不同的侵蚀产沙现象，并在不同的空间尺度上表现出迥异的水沙运动规律．为此需将流域分为坡面与沟道两大系统分别研究，本文描述坡面侵蚀产沙、沟坡区重力侵蚀和沟道水沙运动的主要现象，分析各水沙过程的主要机理．揭示出可依据坡面径流建立坡面侵蚀产沙模型；根据水流的诱发作用，用沟坡土体失稳的随机力学模型模拟沟坡重力侵蚀；考虑影响水沙运动的多种要素，建立沟道系统的高含沙水沙模型．流域泥沙过程机理的研究为建立符合实际物理图景的水沙模型系统，完成流域泥沙过程模拟提供基础。     

二维水库水流泥沙数值模拟

根据水库的水沙运动特点及库区地形条件,考虑悬移质和推移质运动,建立了二维水流泥沙数学模型。网格单元用拉普拉斯方程和代数方法生成,模型方程用有限元法离散求解。利用水槽试验资料和水库实测资料进行模型验证和稳定性分析,结果表明：计算的断面流速分布、流场和河床变形与实测结果基本吻合。     

三峡水库重庆河段平面二维水沙数值模拟

本文针对长江重庆河段复杂的水沙运动特点和地形条件,考虑悬移质和推移质运动,采用有限体积方法建立了平面二维非恒定水沙数学模型,对重庆河段的水流运动和泥沙冲淤进行了模拟。模型中针对长江河道的实际情况,采用李义天提出的分组挟沙力级配计算方法以及床沙质范围界定方法,对现有三峡库区数学模型进行了改进,并利用重庆河段原型观测资料对模型进行了验证。结果表明,模型计算的沿程水位、断面流速分布和河床冲淤变化与资料符合较好,此模型可以用于重庆河道的水沙变化问题研究。     

三峡水库重庆河段平面二维水沙数值模拟

针对长江重庆河段复杂的水沙运动特点和地形条件,考虑悬移质和推移质运动,采用有限体积方法建立了平面二维非恒定水沙数学模型,对重庆河段的水流运动和泥沙冲淤进行了模拟.模型中针对长江河道的实际情况,采用李义天提出的分组挟沙力级配计算方法以及床沙质范围界定方法,对现有三峡库区数学模型进行了改进,并利用重庆河段原型观测资料对模型进行了验证.结果表明,模型计算的沿程水位、断面流速分布和河床冲淤变化与资料符合较好,此模型可以用于重庆河道的水沙变化问题研究.