异重流总流运动微分方程:Ⅰ-理论推导

本文分析了异重流体的特点,对异重流的运动作了一些假设和简化,推导出了以总流为控制体的异重流微分模型。     

水库浑水异重流的两相流模型适用性研究

目前运用两相流理论和数学模型研究挟沙水流问题是一个重要研究方向。涉及到两相流模型有双流体模型和混合模型。考虑到方程组的封闭性,双流体模型的相间作用力往往只考虑黏性阻力。本文用双流体模型和混合代数滑移模型(MASM)对浑水异重流进行立面二维数值模拟,并将模拟结果和水槽实测値相比较,发现两种模型对异重流形态、泥沙浓度分布的模拟结果差异不大,MASM模拟得到的异重流运动速度与实测值更接近。因此,MASM更适宜浑水异重流的数值模拟。     

泥沙异重流影响下的水库垂向水温分布预测模拟

水库水体异重流的变化是影响水库水温分布最为关键的因素之一。本文以黄河上游刘家峡水库为例,建立考虑泥沙异重流影响的三维水库水温模型,利用已有水库水温分布监测数据对模型进行验证。在考虑有无泥沙异重流影响的条件下,对水库汛期库区垂向水温分布进行预测和比较。模拟结果显示,在不考虑来流含沙时,库区垂向水温分布始终为典型分层型,按实际含沙来流计算时,库区垂向水温分布随着水沙量增大而呈现从分层型转化为混合型分布的变化,泥沙异重流是造成夏季水库水温成混合型的主要原因,只有考虑泥沙异重流的影响才能正确预测多沙河流上水库水温的变化规律。     

改进的径向基神经网络模型在水库异重流泥沙淤积量模拟中的应用

文章结合径向基神经网络模型对辽宁中部某水库的异重流泥沙淤积进行模拟。研究结果表明:改进的径向基神经网络模型结合梯度快速下降法对模型进行最优求解,模型收敛和求解精度得到较为明显的改善。在水库异重流泥沙淤积模拟中,相比于传统模型,模型收敛率提高29%,年汛期时间尺度水库泥沙淤积模拟误差分别减少17.1%和11.9%,但在非汛期由于水库异重流泥沙淤积影响要素较多,模拟误差改善较小。研究方法可解决水库异重流泥沙淤积量预测的精度问题。     

地形突变条件下异重流运动失稳规律

由于目前异重流失稳研究相对匮乏,而其研究又对延长水库寿命和优化调度运行具有重要意义。采用Mike3建立三维异重流数学模型,包括水动力学模型、紊流模型和泥沙输移扩散方程,并采用水槽试验对该模型进行验证,结果表明异重流泥沙质量浓度分布实测值与模拟值吻合良好。以紫坪铺水库为例,采用该模型研究了异重流在地形突变条件下的运动失稳规律,分析水库底部障碍物和断面突扩对异重流运动规律的影响,得出这两种情形下的异重流失稳判别条件。底部障碍物情形的失稳判别条件为:(1)异重流运动速度减缓;(2)异重流中泥沙质量浓度降低;(3)前锋及异重流厚度减小。断面突扩情形的失稳判别条件为:(1)异重流运动速度减缓;(2)异重流中泥沙质量浓度的垂向分布由类似抛物线分布变为类似对数分布;(3)异重流厚度减小。     

浅析克孜尔水库2008年汛期异重流排沙的运行概况

通过对克孜尔水库泥沙淤积情况及异重流运动条件的分析,并结合2008年汛期水库异重流排沙实例,为高含沙河流水库运行提供几点异重流排沙调度经验,以解决水库兴利与排沙的矛盾,减缓水库泥沙淤积,延长有效库容的使用年限。     

小浪底水库异重流高效输沙理论与调控

小浪底水库高效排沙是延长水库寿命的关键。水库在蓄水状态下,高效输沙主要体现在提高异重流排沙比与减少异重流滞留层淤积等方面。本文采用理论探讨、水槽试验及实测资料分析方法,研究水库输沙流态动态转换与异重流输沙水动力机制、水库滞留层物理参量变化及其与水动力之间的响应机制。提出了引入压力与动量修正系数的异重流动量方程与描述复杂流态下异重流潜入点判别公式;建立了异重流支流倒回灌淤积计算公式与支流拦门沙高程抬升值和支流淤积量的多元响应关系;明晰了异重流滞留层对后续洪水的响应关系,进而提出水库高效排沙调度原则。     

白杨河水库汛期异重流排沙的探讨

探讨了玉门油田水电厂白杨河水库在汛期洪水产生的浑水明流入库时与水库清水相遇形成异重流现象,利用异重流挟沙的特性将水库内泥沙淤积排出库外。     

水库异重流的三维数值模拟及影响因素分析

不同水沙条件下异重流的潜入位置以及潜入后流速和含沙量的垂向分布规律是研究异重流运动规律的关键要素,对优化水库异重流的排沙调度、提高水库运用效益等至关重要。本文利用SCHISM三维水沙数学模型对水库异重流水槽试验进行了数值模拟,结果表明模型能够得到符合实际情况的垂线流速和含沙量分布,且异重流潜入后的平均厚度、平均流速和平均含沙量均与实测值吻合较好。对异重流模拟结果的分析发现,入口流量和含沙量的增加造成异重流运动速度越快,而入口含沙量的减小和流量的增加会造成异重流厚度增加。异重流垂向流速和含沙量的无量纲化分布受到入口水沙条件的影响,表现在其与断面Froude数的相关性,Froude数越大,则最大流速点与河床的距离越小,最大流速越大;含沙量致密层的厚度越小,对应的含沙量也越大。此外,潜入点位置也受入口水沙条件的影响,表现在潜入水深与入口水深之比随入口Froude数增加而增加的定量关系,由此可以利用入口水沙条件预报异重流潜入的位置。研究结果不仅验证了SCHISM模型用于模拟水库异重流运动的优势,而且丰富和完善了关于异重流潜入点位置及流速和含沙量垂向分布受入口水沙条件影响的变化规律。     

白石水库泥沙问题的试验研究

白石水库是辽宁省大凌河干流上的控制骨干性工程，大凌河含沙量较高、输沙量较大、为多沙河流、泥沙问题较多。为此，采用整体和局部两个物理模型进行了较为深入的研究，解决了模拟全沙、异重流等技术难点，揭示了库区和坝区泥沙的冲淤规律，并进行了水库运用方式的确定、泄流排沙建筑物布置方案的选择，水库长期淤积发展的试验及坝前水流及泥沙特性研究等。     

2017年第1号洪水期间小浪底水库异重流分析

2017年黄河第1号洪水期间,在小浪底水库高水位运用的情况下,通过科学调度,成功地塑造异重流并排沙出库。根据实测资料对小浪底水库进出库水沙条件、水库运用情况、水库异重流演进及运动特点、异重流排沙情况等进行了分析总结。结果表明:此次异重流潜入点在距坝46.2 km的HH28断面,测点最大流速为0.49 m/s,最大含沙量为55.1kg/m~3,异重流厚度为0.77 m;从异重流潜入到排沙出库共计历时约为68 h,异重流运行速度约0.19 m/s;随着第1号洪水的演进,HH09、HH04、HH01断面的异重流流速、厚度整体上呈现先增大后减小的趋势;异重流塑造期入库总沙量为5 020万t,最大入库含沙量为477 kg/m~3,出库总沙量为21.65万t,最大出库含沙量为2.70 kg/m~3,水库排沙比为0.43%;此次异重流塑造过程为后期水库溯源冲刷排沙创造了有利条件。     

二滩水库水温结构及其影响因素研究

采用三维水温模型，对二滩水库水温结构进行数值模拟，模拟了二滩水库水温结构特征，发现二滩水库水温垂向分布呈现单温跃层和双温跃层两种型式。研究了水库水温结构变化的影响因素，表明影响二滩水库水温结构的因素主要有气象要素、库区来水流量和水体温度、水库出流位置及流量大小等。夏季二滩水库随着上游来水水温的增大，水库水温相应增加，但在温度异重流和紊流扩散的双重作用下，仅是水库中层均温层水体温度同步增加。随着二滩水库大坝出水位置的改变，库区流态发生变化，随着出水口位置的下移，水库来水和出流形成的纵向水流随之向库底下潜，水库中层均温层垂向厚度增加，对库底水温的干扰增强。     

克孜尔水库异重流排沙分析及塑造技术研究

为了探究渭干河克孜尔水库异重流排沙规律,从而提高水库异重流排沙效率,通过对新疆渭干河流域克孜尔水库异重流实测资料的分析,结合已有水库异重流研究成果,对克孜尔水库异重流发生、持续运行及其应用于水库排沙减淤工作的基本规律进行了系统研究,给出了水库异重流排沙的各项物理指标范围。利用水库异重流基本规律及排沙特性,探究了新疆克孜尔水库堤渠结合辅助塑造异重流排沙技术,实践证明此种异重流塑造手段的排沙效果显著,为今后水库利用异重流排沙减淤工作提供了理论基础与实践经验。     

水库异重流和浑水水库排沙数值模拟技术研究

为解决原有库区一维数学模型异重流计算结果不很合理的问题,在一维模型中引入了孔口出流的概念,对浑水水库库区进行了分层计算,并探讨了小浪底浑水水库排沙的计算原理和计算方法。实例计算结果表明,采用该方法得出的出库含沙量过程基本合理。     

二滩水库水温结构及其影响因素研究

应用MIKE 3建立三维水温模型,对二滩水库水温结构进行数值模拟,发现该水库水温垂向分布呈现单温跃层和双温跃层两种型式。 气象要素、库区来水流量和水体温度、水库出流位置及流量大小等是影响水温结构的主要因素。夏季二滩水库随着上游来水水温的升高,水库水温相应升高,但在温度异重流和紊流扩散的双重作用下,是水库中层均温层水体温度同步升高。大坝出水位置的改变,将使库区流态发生变化,随着出水口位置的下移,水库来水和出流形成的纵向水流随之向库底下潜,水库中层均温层垂向厚度增加,对库底水温的干扰增强。     

高含沙水库泥沙运动数学模型的研究及应用

通过修正泥沙运动基本方程，并采用水流挟沙力、河床糙率、异重流计算等方面的最新研究成果，建立起高含沙水库泥沙数学模型。通过选择黄河三门峡水库及巴家嘴水库的泥沙观测资料进行仿真计算，证明了所建模型的可靠性。并应用该数学模型模拟泾河东庄水库泥沙淤积及排沙规律，取得了与泥沙模型试验结果相接近的计算成果，表明该模型具有模拟高含沙水流运动、溯源冲刷、泥沙级配变化、异重流运动等功能。     

小浪底水库异重流有关问题分析

异重流排沙是多沙河流水库蓄水运用阶段排沙的主要方式，小浪底水库运用初期以异重流排沙为主．分析了2001年小浪底水库高含沙异重流的形成、传播以及排沙和淤积分布等有关问题，并对异重流的渗入条件进行了验证计算．     

浑水异重流孔口出流泄沙规律

对垂直壁孔口和底孔出流的室内试验资料,以及三门峡水库、官厅水库的现场异重流孔口泄沙资料进行分析,得到出流含沙量与孔口高度和泄出层厚度的经验关系曲线。此关系曲线可用于估算在一定条件(孔口流量、异重流含沙量、孔口高度)下的出口含沙量。最后分析了孔口距底高度对浑水异重流孔口出流的影响,提出设计多沙河流上水库浑水异重流孔口泄沙的孔口位置时应注意的要点。     

对小浪底水库首次人工塑造异重流的探讨

为了有效控制水库泥沙淤积的数量,改善库区泥沙淤积的形态,从而延长水库的使用寿命,小浪底水库于2004年首次进行了人工扰动塑造异重流试验。结果表明:异重流冲沙前后库尾泥沙淤积形态和数量的变化明显,认为利用人工塑造异重流进行水库冲沙是可行的。     

YZ—1型水库异重流报警器的研制和应用

针对水库汛期利用异重流节水排沙时，闸门开度调整中存在的问题，介绍了ＹＺ—１型水库异重流报警器的研制和应用。该仪器为闸门控制提供了量化依据，节水排沙效果较好，对水库的经济效益有重要作用，值得推广和使用