沙质河床二维粗化数值模拟初探

沙质河床冲刷过程中河床变形、冲刷深度、悬移质含沙量恢复及床面级配等沿时空的变化与河床粗化紧密相关，只要对河床粗化机理和特性有较深认识才会对河床冲刷现象有较好的定量模拟。本文依据ADI算化原理，在交错网格上建立了非耦合非均匀不平衡输沙的平面二维非均匀沙水流挟沙力的计算方法和混合层计算模式。依据该模型所做的数值实验表明，模型能从定性上较好地模拟上述因素随时间沿纵横方向的变化，具有二维性，从理论和实践上进一步反映了数学模型能模拟河床冲刷过程中诸因素变化规律的潜力，并充分表明，正确预测冲刷河床变形的关系在于较好地模拟河床组成的粗化过程，对此，均匀沙模型是无能为力的。     

冲积河流混合活动层内床沙级配变化的动力学基本方程

本文将冲积河流混合活动层内床沙的交换、掺混概括为表层床沙与水中运动泥沙在床面附近湍流作用下的掺混交换和混合活动层中泥沙在沙波运动作用下的掺混交换过程，建立了冲积河流混合活动层内床沙级配变化的基本方程。该方程定量地反映了水流强度、床面沙波运动及河床冲淤变化与床沙级配变化的关系，描述了河床冲淤过程中床沙级配时空变化的动力学特性。文中还应用该方程，分析了河床冲刷粗化现象。     

航道整治工程泥沙数学模型的构造及计算方法

建立了正交曲线坐标系下二维紊流全沙数学模型，水流模型采用紊动动能和紊动耗散率闭合雷诺方程，把悬移质输沙概化为单纯淤积、单纯冲刷和淤粗冲细三种情况，依据悬沙与床沙交换机理建立了挟沙能力和非均匀沙分组挟沙能力的表达式．在水流输运及分组含沙量输运方程的离散过程中，采用守衡性较好的控制体积法和SIMPLEC计算程式，以提高计算稳定性和加快收敛．本模型对复杂条件的河床适应性较强，为平面二维长河段的河床变形计算进一步创造了条件．     

稳定冲坑内剖面二维悬移质扩散的数值研究

基于N-S方程和悬移质扩散方程,采用网格标记法(MAC)追踪自由水面,应用标准k-ε封闭方程建立了二维水流泥沙数学模型.运用数学模型对射流冲坑内的流场、泥沙浓度进行数值计算,得到了冲坑内流场、紊动特性及悬移质泥沙浓度的分布情况,并与实验数据进行了比较.结果显示,该数学模型具有较高的精度和适用性,能较好地模拟稳定冲刷坑内的流场和悬沙浓度分布.     

推移质运动的二维数学模型

本文建立了一个模拟推移质运动的二维数学模型，水流运动方程中考虑了河流弯曲处环流所引起的动量交换，推移质运动方程中则考虑了推移质运动的随机性、床沙粗细颗粒的相互影响及床沙级配沿河宽的调整。利用连续弯道清水冲刷河床变形试验资料对模型进行了检验，检验结果表明，数值计算结果在定床及动床水面线、流速沿河宽分布、冲刷过程中水位下降过程、河床的平面变形、出口断面推移质输沙率及其级配、床沙沿纵横向的分选等方面与试验结果吻合较好。     

广佛过江隧道河段极限冲刷数值模拟

针对广佛过江隧道河段水流泥沙运动及河床冲淤变化,从平面二维非恒定水流运动方程、不平衡泥沙输移方程及河床变形方程出发,建立了二维动床数学模型。以隧址附近河道典型实测水流、泥沙及河床冲淤的实测资料对模型进行了验证。在此基础上开展了过江隧道河段在极端洪水作用下河床最大冲刷深度的数值模拟,预测结果与动床物理模型及实测资料河床演变的成果基本一致,进一步表明了动床数学模型的可靠性,预测成果可为过江隧道的合理埋设提供参考依据。     

游荡型河流的平面二维水沙数学模型

本文为反映游荡性河流在水流弯曲、分汊等作用下所导致的环流输沙作用，首先在悬移质泥沙对流扩散方程中增加了横向输沙项，然后引入适合黄河粘性沙构成河岸物质的塌岸模式和局部动网格技术和网格融合技术等基础性研究成果，解决了河岸变形模拟、调整工程导致网格再生、床沙级配等关键性难题，首次开发出可模拟游荡性河床演变且可反映河道整治工程作用的平面二维水沙数学模型。最后，以黄河下游柳园口~夹河滩河段为例，应用本文模型对游荡型河流河势变化进行了数值模拟。其结果表明，本模型能够真实的模拟出游荡型河流独特的河床演变过程。     

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。     

黄河下游河床平面变形模拟研究

黄河下游河道以游荡多变著称，河床演变具有典型的平面二维特征，本文分析了黄河下游河床横向变形的基本模式，认为河床的横向变形是由泥沙的侧向冲刷和河岸淘蚀综合作用的结果，数学模型中可通过这两种现象的分别模拟反映实际河岸的横向变化．引进土力学中有关河岸力学平衡的基本关系，结合河床演变计算的特点在数值方法上适当简化，提出了黄河下游河床横向变形的数值模拟方法，采用反映高含沙水流流动特性的基本方程组，用１９７７年典型高含沙水流洪水过程检验了模型计算多种含沙水流过程的适应性和模拟河床横向变形的可靠性     

平面二维河床变形的数值模拟

为了研究河道平面二维的河床变形问题，及由此而引起的对防洪、航运等造成的影响，本文给出出非均匀沙的平面二维全沙动床数学模型方程组，并考虑了移质不和饱和输移、非均匀沙推移质输移及床沙级配的调整。在求解水流泥沙运动方程时，采用控制体和只法及动边界技术，对水流速度场、悬移质浓度场及河床变形进行了数值模拟。该模型采用正交曲线网格来克服天然河道边界形状复杂、长度尺度相差悬殊以及由于水位波动引起计算边变化等等困     

明渠自掺气水流掺气浓度分布Wood模型的改进研究

本文对明渠自掺气水流均匀流区掺气浓度分布的Wood计算模型建立中的两条基本假设进行了改进,在考虑掺气水流水气二相间相互作用的条件下,建立了气泡上浮速度和紊动扩散系数的计算式,并运用紊动扩散方程,导出了掺气均匀流掺气浓度分布的计算公式。计算值与实测值吻合良好。     

一维不恒定流泥沙数学模型研究

本文着重对求解一维不恒定流泥沙数学模型控制方程的数值解法进行了研究，结果表明，用线性化方法与非线性选代计算对圣维南方程进行求辑，二者计算结果的差异很小，但线性化方法可以节省大量的计算工作量，且可取较大的时同步长进行计算。对悬移质泥沙运动方程式，相临时层之同用差分法求解，在局—时层上球其分析解。不仅可以避免含抄量计算结果的不合理现象，而且计算量也较小。用丹江口水库下游的资料对模型进行了验证，计算结果与实测资料符合良好。验证计算同时表明，用不恒定流泥沙数学模型进行河床变形计算，计算时间不会比恒定流泥沙数学模型增加很多。     

水沙河口衔接数学模型的研究及其应用

在河口水流、泥沙数值计算时提出一、二维衔接的数学模型.根据一、二维水流连续方程、运动方程、悬沙扩散方程、两相流底沙运动方程、床面演变方程,对一维河道采用河网三级联解法、迎风差分格式,对二维海区采用有限元加权集中质量法、三角差分格式,建立水沙河口衔接数学模型.将此模型应用于天津泰达永定新河河口工程的研究上,经实测水沙资料验证,计算值与实测值基本吻合.为河口改造时引起的河道与海区的水流及泥沙稳定性问题提供了可行的研究方法.     

空泡在任意流场中的运动研究

本文从理论上较全面地分析了空泡在任意流场中的受力，在空泡运动中，考虑了变形场、有气体扩散、流体的可压缩性等因素的影响，建立了空泡在任意流场中的三维运动控制微分方程，给出了计算空泡运动的数值方法，并求解了空泡在一混流式水轮机转轮流场中的运动。     

基于改进FV-LBM的多孔介质渗流模拟

提出了一种新的基于Brimman -Forchheimer方程的多孔介质流动格子Boltzmann法的有限体积形式（FV-LBM）。在该方法中,多孔介质效应通过将外力引入格子Boltzmann方程中,并通过以单元为中心的有限体积法求解,同时将权重的校正因子引入进来以提高数值计算的稳定性。用该方法验证了完全多孔Poiseuille流和Couette流,数值计算结果与理论解吻合较好。而且还用该方法模拟了具有均匀和非均匀孔隙度的裂隙-孔隙模型,结果表明：当达西数增加时,多孔层中的速度增加;而当裂隙区域的速度峰值减小时,速度轮廓接近抛物线。研究成果为多孔介质渗流模拟提供了有效途径。     

底流消能的跌坎型消力池再附长度的试验研究

再附长度是衡量坎后底滚回流区水流特征的一个重要参数,再附长度随水流入射角度、跌坎深度的变化而变化。根据平面紊动射流理论,建立淹没紊动射流的扩散方程,推导出再附长度计算的半经验公式,并结合水力学试验,对公式进行验证。结果表明,通过试验观测所得观测值与通过半经验公式计算所得理论值吻合较好。     

地下水热量运移模拟的BEM-FAM耦合法

基于地下水热量运移的基本原理，本文提出了求解地下水热量运移问题的BEM-FAM耦合法。该方法原理简单，操作方便；不仅可以直接计算出地下水流速度，而且避免了对流扩散方程数值解中的数值弥散和数值振荡，提高了计算精度。应用本文提出的方法对溪洛渡水电站工程地下水热量运移问题进行了模拟，计算结果与地质分析的结论一致，表明该方法是可行的。     

岸边并联泄洪洞下游河道冲坑预测

挑流水舌对下游河道的冲刷关系到工程安全。根据动量方程推导了射流在下游水垫中的扩散规律,分析了下游水垫流速对射流扩散的影响,提出了动水垫下射流的临底流速计算方法。研究结果表明:动水流速增加了射流在水中的扩散距离,促进了射流扩散及射流流速衰减,降低了射流临底流速。将研究结果应用于白鹤滩岸边泄洪洞下游河道的冲坑深度预测。模型试验结果表明:在鼻坎水流参数相同的情况下,河道中水流为动水时的冲坑深度较静水时冲坑深度减小约10%,且位于河道下游侧的挑流水舌形成的冲坑深度小于上游侧挑流水舌形成的冲坑深度。与常规预测公式相比,该方法能准确预测不同位置挑流水舌的冲坑深度,研究结果可为泄洪设施下游河道消能防冲设计提供依据。     

二维扩散方程的9点格式有限近似解法

通过假设在曲线网格局部单元内满足二维扩散方程的近似解,并对计算区域进行离散,推导出中心点函数值和周边8点函数值之间的关系式,从而建立求解二维扩散方程的新方法,即基于曲线网格下的有限近似解法9点迭代格式.该格式用于非规则区域定常扩散方程和规则区域非定常扩散方程的计算,并与精确解等进行比较,结果表明该方法在计算简便性、精度和适用性等方面具有良好的特性,且比5点格式的有限近似解在精度方面有明显改善.最后计算了典型的坝基渗流流场,计算结果与试验结果吻合较好.