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     

物质输移方程解的数值方法^＊

本文探讨了经典的物质对流反应汇方程的整体数值解,文内给出的数值格式能适应于求解对流和反应汇较强的物质输移问题,且有计算步长大的特点.     

渗流及地下水污染二维预测模型

在各项异性渗流模型的基础上，建立了地下水污染物质输移运动的二维数学预测模型，采用有限元法对渗流和污染物分布进行模拟，并且用解析解检验了数学模型的可靠性。对于污染物随地面降雨入渗的二维非恒定问题，计算结果与已有文献进行比较，证明了数值模拟的可信度。进一步实际模拟在非均匀介质情况下的污染物随地下水输移过程，分析了介质的透水特性对污染物浓度的影响。     

对流方程解的高价数值格式

本文对经典对流方程的数值解建立了一个高阶数值格式。原理是在特征线脚所在网格的两个基点上建立5阶插值多项式,此多项式考虑了一阶导数的对流和两阶导数的嵌入,进而使数值格式的截断误差可达近6阶。理论分析和模拟单波对流输移验算结果表明,此格式比Holly-Preissmann方法具有更高的精度。     

生物絮凝泥沙运动输移数学模型

近几十年来,河流中生物絮凝泥沙的运动输移对河流生态系统与水工建筑物等造成的影响,已逐渐成为一个研究热点。本文将泥沙运动输移模型与生物絮凝机理模型耦合起来,构建生物絮凝泥沙运动输移数学模型,以预测富营养水生态系统中生物絮凝泥沙运动输移过程中的浓度及水位变化。模型中,通过求解一维非恒定流圣维南方程来计算水流,将生物絮凝视为导致悬浮泥沙絮团粒径变化的主要因素,通过不饱和非均匀输沙(泥沙/絮团)方法来模拟生物絮凝泥沙的运动。利用文献数据和室内水槽实验来验证生物絮凝泥沙运动输移数学模型,模拟结果与实验数据吻合较好,表明所构建的一维数学模型可以较好地模拟生物絮凝泥沙的输移特性。     

对流扩散问题的新解法

在非均匀网格上,本文建立了求解一维对流扩散方程的高阶数值解法。在特征线上,同时考虑了物质对流和扩散输移,通过使用文献[1]的计算方法,保证了对流项数值计算的精度;对于表示扩散的两阶导数项,在特征线脚处作显式处理,以便使扩散与对流作同步输移,进而在每一个时间步长终止时得到问题的同步解。文内最后对建立的解法作了检验对比。     

二维对流扩散方程非均匀网格上的高阶紧致差分方法

利用降维法导出了非均匀网格上二维对流扩散方程的高精度紧致差分格式, 对于离散得到的代数方程组采用迭代法求解. 数值算例表明, 在相同网格节点数的情况下, 本文基于非均匀网格格式较均匀网格格式具有高精度, 高分辨率的优点, 对于含边界层的对流扩散问题具有很好的适应性.     

考虑涌潮作用的钱塘江二维泥沙输移数值模拟

钱塘江涌潮前后水位、流速和含沙量等物理量存在突变,给数值模拟带来了很大的困难,常规的数值模型往往不能准确模拟涌潮作用下的泥沙输移。在已建立的二维涌潮数值模型的基础上,应用基于准确Riemann解的Godunov格式建立了二维泥沙数值模型,模型首先检验了纯对流问题,然后模拟了钱塘江涌潮作用下的泥沙输移,计算结果反映了涌潮到达时刻含沙量的突变过程以及涌潮对泥沙输移的影响,揭示了钱塘江河口高含沙区的成因,以及涌潮是钱塘江河口大冲大淤的机理之一。     

河网对流输移问题的求解及应用

本文针对平原河网地区，河道纵横交错，水流流向顺逆不定、水流中输送的物质浓度属非稳态非均匀变化等特点，推导得到了适用于各种流动情况下，求解河网对流输移问题隐式差分方程的一套计算公式，及相应的河网计算方法，运用这一方法进行数值求解，不仅能反映上述各种特点，还具有所需的计算机内存少，计算速度快，易于掌握及应用方便等优点。     

基于三角形网格的浅水间断流动泥沙输移数值模拟

浅水间断流动条件下泥沙输移具有广阔的工程应用背景.采用基于准确Riemann解的Godunov格式求解法向数值通量,应用干底Riemann解计算动边界问题,建立了基于无结构三角形网格空间二阶精度的二维水流和泥沙输移有限体积法数值模型.模型在纯对流问题检验的基础上,模拟了孤立波在滩面上传播变形以及对圆柱周围的局部冲刷,复演了孤立波变形后流场和泥沙场突变的过程,并且圆柱周围局部冲刷坑计算结果与实验基本吻合.     

考虑涌潮作用的钱塘江二维泥沙输移数值模拟

钱塘江涌潮前后水位、流速和含沙量等物理量存在突变，给数值模拟带来了很大的困难，传统的数值模型往往不能准确模拟涌潮作用下的泥沙输移。在已建立的二维涌潮数值模型的基础上，应用基于准确Riemann解的Godunov格式建立了二维泥沙数值模型，模型首先检验了纯对流问题，然后模拟了钱塘江涌潮作用下的泥沙输移，计算结果反映了涌潮到达时刻含沙量的突变过程以及涌潮对泥沙输移的影响，揭示了钱塘江河口高含沙量区成因，以及涌潮是钱塘江河口大冲大淤的机理之一。     

清水冲刷河床粗化数学模型

本文建立了大坝下游清水冲刷河床粗化一维数学模型。该模型考虑了非均匀推移质不平衡输移,并引入混合层模式用于模拟河床组成的变化。利用Preissmann隐式格式求解水流方程组,用显式格式求解河床变形方程及床沙级配调整方程。该模型侧重于模拟河床粗化过程,也能用于河床一维变形计算。利用我们做过的清水冲刷水槽实验资料对模型进行了全面的验证,取得了令人满意的结果。     

动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型

现有大部分溃坝水流模型仅适用于模拟定床条件下的水流演进,但溃坝水流经常是在动床条件下演进.因此非常有必要同时模拟溃坝洪水演进时的水沙输移及床面冲淤过程.本文首先建立了动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型.该模型主要由二维浑水控制方程、非均匀沙不平衡输移方程及河床冲淤方程组成,采用水沙耦合解法以及基于无结构三角网格下的有...     

颗粒非均匀性对推移质输移影响的试验研究

非均匀推移质运动是一个复杂的物理过程,输移量的确定、关键影响因子的辨识、内在作用机理的把握等基本规律的研究尚不充分。基于此,本文开展了系列精细水槽试验,结合高速摄像、图像识别技术,获取了非均匀推移质输移、颗粒拣选度变化等过程的动态监测数据。引入非均匀泥沙粗细比η,反映床面粗糙度、黏性底层与床面泥沙特性在内的综合水流强度函数Ψb,特征傅氏数Frb等参数,采用量纲分析与数值拟合相结合的方式,研究了不同粗细比的非均匀推移质输移规律。分析表明颗粒的非均匀性是影响推移质输移的关键因子,对粗颗粒输移量及全沙输移强度影响至关重要;推移质输移率与颗粒粗细比、水流强度呈紧密依存关系。     

平面二维溃坝水沙输移动床数学模型研究

为数值模拟溃坝洪水作用下泥沙输移及河床变形，建立了无结构三角形网格的平面二维水沙耦合数学模型。水动力学模型采用浑水流动方程，考虑了泥沙输移及床面冲淤变化对动量的影响；泥沙输移采用不平衡泥沙对流扩散方程描述。模型数值计算格式采用有限体积法，单元界面的对流通量采用基于近似黎曼解的Roe格式计算，扩散通量采用中心格式，不平衡泥沙输移方程采用坡度限制的二阶空间精度格式离散。模型经经典算例和小尺度瞬间全溃的动床实验资料检验，水面、床面及流速等计算结果与实验资料或解析解等比较吻合。在上述检验的基础上，分别采用动床及定床模型对浙江省某河道型水库溃坝诱发的水沙运动进行了数值模拟，结果表明动床下的溃坝洪水的传播速度快于定床，动床与定床的水位、流速差异很大，这说明溃坝洪水下水流、泥沙及河床变形发生强烈的相互作用，采用水沙及河床变形耦合的数学模型是必要的。     

动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型

现有大部分溃坝水流模型仅适用于模拟定床条件下的水流演进，但溃坝水流经常可在动床条件下演进。因此非常有必要同时模拟溃坝洪水演进时的水沙输移及床面冲淤过程。本文首先建立了动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型。该模型主要由二维浑水控制方程、非均匀沙不平衡输移方程及河床冲淤方程组成，采用水沙耦合解法以及基于无结构三角网格下的有限体积法离散。同时利用Roe-MUSCL方法以及时间方向的预测-校正格式，使模型在时空方向具有二阶计算精度。然后采用已有算例及水槽试验资料对模型进行了初步验证。最后采用该模型研究了均匀沙及非均匀沙床面对典型溃坝水流演进的影响。模拟结果表明溃坝水流在定床及动床条件下的演进过程明显不同。溃坝水流因流速大，床面变形较快，且床面冲淤速率可与水流变化速率相当，故需要采用浑水控制方程及耦合解法。     

扩散作用对静水湖泊水质浓度空间分布的影响

根据水域开阔的中小型浅水湖泊的水动力特征,建立了加入扩散项的湖泊移流模式,分析了污染物对流输移、降解作用、扩散作用对污染物浓度空间分布的影响。研究发现:在静风条件下,对流输移、降解作用是湖泊水质浓度空间分布的主要影响因素,扩散作用对湖泊水质浓度空间分布的影响居次要地位。但当排污流量较小且污染物浓度较高时,扩散作用对预测结果有一定的影响。在进行湖泊水质空间分布精确预测时,应综合考虑对流输移、降解及扩散作用等因素的综合影响。     

冲积河流一维数学模型

本文发展了一个模拟冲积河道河床变形的一维数学模型.此模型引入了混合层和淤积层概念模式用于模拟河床组成,并考虑了非均匀颗粒的不平衡输移,用隐式有限差分法同步求解水流泥沙连续方程式、水流运动方程和河床组成方程式.这些特点使得该模型能同步反映水流与河床相互作用和制约的关系,并能用于计算和模拟(1)河床长期变形;(2)非均匀质不平衡输沙;(3)冲淤过程河床组成变化;(4)冲刷极限状态床面覆盖作用.此外,模型还具有稳定性能好,计算步长大的特点.     

热分层湍流直接模拟的高精度算法和数值分析

该文发展了高阶精度有限差分格式的直接数值模拟方法,并将其成功地应用于带有自由面的热分层槽道湍流问题的计算,与低阶精度格式相比,高精度格式有着更宽的低耗散波段,对中高波数分量有较好的模拟能力。该文直接在非均匀网格上采用Lagrange多项式插值构造迎风偏置格式,克服了传统二阶格式在网格变化剧烈时精度损失的缺点,提高了在近壁区的计算精度。对三维槽道湍流以及带有自由面的热分层湍流的流场和温度场的统计特征、脉动特征以及能谱进行了分析,进一步验证了高精度差分方法对热分层剪切湍流问题直接模拟的有效性。总体上讲,该格式精度高,对高频非物理振荡有抑制作用,可以适应变化的空间网格,有效地模拟复杂湍流流动结构,并正确地揭示其流动机理.     

我国对泥沙不稳定输移的研究近况

前言前几年,泥沙不稳定输移是用平衡条件下泥沙输移量的公式来模拟的(文献1-3),尔后,则试图用非平衡条件来模拟输移。文献4是研究成果之一。中国在这一领域中研究已取得了新的进展。本文将就这个问题作一综述。一元输移——定数法林秉南、黄南清和李新春等三人提出的泥沙扩散方程(文献4)是: (hS)_t (qS)_x W(S_0 -(?) )=0 (1)式中: h-水深; S-平均含沙浓度; W-沉降速度; q-单宽流量; S_0 —非平衡条件下,紧靠河床上一点的局部浓度;