Simulation of fine sediment transport in oscillatory boundary layer

Sediment transport and resulting morphodynamics take place at vastly different spatial and temporal scales. Bottom boundary layer dynamics is one of the most critical small-scale processes controlling sediment transport. However, it is very challenging as it involves highly nonlinear turbulent flow phenomenon that occurs at a scale as small as Kolmogorov scales. The unsteady nature of the flow forcing in the coastal environment, such as waves, is another important factor that further complicates the process. This paper aims to take a step to better understand wave-driven turbulent boundary layer and corresponding transport process. The problem of wave-driven sediment transport is simplified into fully developed oscillatory channel flow. Particles are assumed to be fine and dilute and hence they can be approximately considered as passive except gravitational settling with its settling velocity estimated from Stokes' law. Highly accurate pseudo-spectral flow solver has been employed and Direct Numerical Simulation (DNS) is carried out to resolve all scales of flow turbulence without sub-grid closure. Sediment concentration is then updated via mass conservation. Clear fluid simulation for intermittently turbulent condition (i.e., Stokes Reynolds number Re_Δ = 1000) is validated with earlier DNS results reported by Spalart and Baldwin [1989. Direct simulation of a turbulent oscillating boundary layer. Turbulent Shear Flows 6. Springer]. Fine sediment with dilute concentration is then added in the numerical simulation to study sediment suspension events under oscillatory flow. Suspension events are evaluated both qualitatively, by observing vortex structures, and quantitatively by the statistics of vertical fluxes. For fine particles and dilute concentration considered here, it is observed that particle phase is well-mixed in the boundary layer. Suspension is highly dependent on turbulent vortical structures at different wave phases.     

复式渠槽水沙输移特性研究综述

水流运动特性受边界的影响较大,由于复式渠槽特有的几何特征和边界条件,当发生漫滩流时,水流结构比较复杂,水流特性和泥沙输移规律均不同于单一渠槽。分别对顺直和弯曲复式渠槽漫滩情况下的流速分布、剪切力分布、水流阻力及泥沙输移特性进行归纳和分析。从复式断面形态、滩槽交互区动量交换、推移质泥沙运动特性以及自然因素条件对水沙输移特性的影响4个方面,对复式渠槽水沙输移特性的研究趋势进行了展望。     

几何变态模型中悬沙输移相似性研究

物理模型中研究泥沙输移与河床冲淤变化等有关问题时，为保证模型物理现象与原型相似，模型设计需遵循一定的相似准则，几何变态模型，由于紊动在纵向对流和垂向扩散的相似性难以统一，至今悬沙沉速比尺的设计尚存在一定矛盾，本文从悬沙运动扩散方程的解析解出发，分析了模型几何变态对淤和量和淤积部位相似性的影响，提出了估计模型与原型的偏离性和偏离程度的方法，最后，在导出了二维扩散方程近似解的基础上，提出了合理地设计悬沙沉速比尺的方法。     

河口涨落潮槽水沙输运机制研究

以长江口南支、新桥水道、南小泓和南港主槽作为典型涨、落潮槽研究对象,分析了2001年洪季水沙资料,研究了长江河口涨、落潮槽的水沙输运机制,探讨了不同河槽的各种动力因子对水沙输移的贡献差异,结果表明落潮槽的欧拉余流均大于涨潮槽的值;水量净输移大小依次是南支主槽、南港、新桥水道和南小泓。净输水量分布和其欧拉余流分布相对应。平流输沙项在落潮槽对总输沙的贡献要大于其在涨潮槽的贡献,瞬时源汇输沙项在涨潮槽对总输沙的贡献要大于其在落潮槽的贡献。     

长江口外海滨典型断面悬沙通量计算

长江河口的口外海滨地区是河流和海洋之间的过渡区域和长江人海泥沙扩散、堆积的主要场所，也是与杭州湾、江苏海域等邻近水域进行水、沙交换的过往之地。本文运用目前较为成熟和可靠的机制分解法和等面积时变网格法分别对口外海滨地区典型断面的悬沙通量进行了估算，两种方法计算得到的通量结果方向一致，量级相同。结果表明，长江流域来沙出口门后，大约27％向南进入杭州湾，向东人海的有20％左右，还有9％左右的泥沙向北进入江苏海域，剩余的大约44％的泥沙在水下三角洲地区沉积下来。就各输沙项而言，平流作用输沙贡献最大，潮泵作用输沙量次之，垂向净环流和垂向潮振荡切变项的相对贡献较小。     

顺直型与宽窄型复式河道水沙分布规律的比较

本文在总结水槽试验资料的基础上．对顺直型及宽窄相间型复式河道的过流能力、流速及含沙量分布特性进行了比较分析。研究结果表明，两种复式河道的水沙分布具有一定的相似性，但也存在着较大的差别，并对其产生的原困进行了初步探讨。此外，通过比较滩槽流速比及滩槽流量比可以知道．宽窄复式河道的滩槽动量交换较顺直复式河道强烈。     

Numerical simulation of sediment deposition thickness at Beidaihe International Yacht Club

The finite element method(FEM)was used to simulate sediment hydrodynamics at the Beidaihe International Yacht Club,and a two-dimensional model was established.The sediment movement and deposition were analyzed under many tidal conditions in conjunction with the hydrological regime of the Daihe River.The peak value of the sediment deposition thickness appears in the main channel and around the estuary.The sediment deposition thickness is essentially constant and relatively small in the project area.The sediment deposition thickness in the main channel,in the yachting area,and around the hotel is greater than the other areas in the project.Regular excavation and dredging of the channel is the best measure for mitigating the sedimentation.     

河流泥沙水文学模型边界条件参数化方法探讨

针对河流泥沙水文学模型,在对基础方程(考虑上站来水含沙量的幂律函数公式)基本内涵(不平衡输沙理念、相对空间概念及自动调整作用)综合分析的基础上,从河道边界条件(河段长度、宽度、比降等)参数化角度出发,提出根据河道边界条件确定模型参数的方法。边界条件参数化方法途径主要包括:统计分析方法与理论比较途径。其中,统计分析方法宜先对同一河段选用同一进口断面,分别选取下游不同距离出口断面,通过实测资料统计回归,研究参数随距离的变化规律;理论比较途径主要基于对水文学、水动力学模型方程的理论比较分析,探求参数的计算方法。从断面质点系统跟踪角度来看,河流泥沙水文学与水动力学模型关于空间变化的基础方程,经过空—时变量变换均可表示为关于时间变化的滞后响应模型方程形式,两者区别在于对描述系统水沙组合的特征变量选择不同。河流泥沙水文学模型边界条件参数化最终结果转化为了水沙质点系统的调整时间与泥沙沉降时间,这从另一角度提供了对河流泥沙水文学模型方程物理意义的理解。     

东港市水库泥沙淤积的初步分析

水库泥沙淤积主要是泥沙运动造成的,东港市水库库区淤积主要是在汛期几次大洪水输入大量泥沙所至。文中从淤积数量、淤积部位,淤积形态介绍了水库的淤积特性,并对水库泥沙淤积的防治提出了意见。     

察尔森水库泥沙淤积分析

为了确保已建水库的安全和充分发挥其防洪作用,对于运用中的水库。无论从防洪要求、水库工程安全还是为了取得更大的兴利效益,有必要进行水库泥沙淤积分析,水库的淤积不仅是经济问题,而且是水库管理运行工作中的一个重要课题。     

非淹没刚性植被流动阻力研究

摘要：水生植物环境中,水流受植被的阻碍作用,流动阻力增加。为了定量研究植被对水流的阻力,本文采用应力计对非淹没刚性植被的流动阻力进行了实验室测量。能量方程计算的拖曳力与应力计实测的拖曳力进行了对比,两者的一致性证明了拖曳力测力装置的有效性。对不同水深条件下的植被拖曳力的测量表明,非淹没刚性植被的流动阻力与速度的平方成正比,拖曳力系数受雷诺数和能量底坡的影响较大。     

非淹没刚性植被流动阻力研究

水生植物环境中,水流受植被的阻碍作用,流动阻力增加。为了定量研究植被对水流的阻力,本文采用应力计对非淹没刚性植被的流动阻力进行了实验室测量。能量方程计算的拖曳力与应力计实测的拖曳力进行了对比,两者的一致性证明了拖曳力测力装置的有效性。对不同水深条件下的植被拖曳力的测量表明,非淹没刚性植被的流动阻力与速度的平方成正比,拖曳力系数受雷诺数和能量底坡的影响较大。     

泥沙静水沉降阻力系数

作者引用由渐近匹配展开方法所确定的N-S方程球体绕流渐近展开解将蠕变流推广到急变流的球体绕流解，导出了泥沙沉降阻力系数的计算公式。在此公式基础上，用天然泥沙雷诺数替代球体雷诺数，讨论了球度系数与形状系数之间的关系，提出了圆角形、棱角形天然泥沙颗粒沉降阻系数计算公式，并将不同球度系数、形状系数与阻力系数公式的成果与Schulz实验资料相比较，结果两者趋势相同，数值吻合较好。     

长江河口南槽近期滩槽水沙输移特性分析

为了深刻认识近期长江河口演变趋势,依据2005,2006年和2010年长江口南槽滩槽洪枯季实测水文泥沙数据,分析了主槽与浅滩的水动力条件及悬沙浓度的时空分布特征。利用机制分解法,研究了河口滩槽间泥沙输移及交换机制。研究结果表明,长江口南槽主要以往复流为主,落潮流速大于涨潮流速。随着水深变浅,水流流速过程线存在差异,使不同区域的水流挟沙能力和输沙过程不同。输沙以平流项输沙通量为主,但潮泵作用在南槽地区泥沙输移中也占有重要地位,形成"主槽出沙、浅水进沙"的输沙模式,促使南汇边滩前缘缓慢淤涨。     

桃江取水口处布置纵向底流槽对泥沙淤积的影响

通过对桃江引水口处设置取水口模型并进行试验,在不同工况下对取水口不同布置方案进行研究,分析纵向底流槽内泥沙平均淤积厚度变化、纵向底流槽内泥沙级配变化及排沙情况。试验结果表明:受进口端过水断面增大影响及取水口前端所在弯道段的横向环流作用,推移质泥沙从进口端不断输移至出口端。平面形态上,取水口口门前泥沙以沙波形式向前推进,取水口口门内泥沙以薄沙层形式淤积。根据试验结论,提出最佳设计方案,并取得较好的效果。     

Suspended sediment estimation and analysis in river basins with rice paddy fields

Suspended sediment, which is an important water quality characteristic concerning effluents from agricultural areas, was studied in relatively small rivers that drain agricultural watersheds with considerable rice paddy areas. Suspended sediment load (SL) was observed daily for thirty three months and analysed--applying data stratification. Suspended sediment prediction models were established and the effect of rice transplanting activities on the rivers' SL was estimated. Results showed that data stratification improved the discharge-SL correlation and reduced regression and curve-fitting errors, thereby improving the efficiency of the derived model equations. Clustering the months into the rice- and non-rice transplanting seasons also improved the resulting regression equations, although not statistically significantly. Suspended SL was found to be higher during the rice transplanting season and the activities contributed a considerable amount of suspended sediment during the period, supporting the conjecture that sediments come from sources other than natural soil erosion.     

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。     

三峡工程对嘉陵江朝天门至井口河段的影响及治理研究

本文建立水沙运动二维数学模型，通过实测水面线、流速分布及其泥沙冲淤变化过程与模型计算值进行比较，其值吻合较好。运用该数模计算了嘉陵江朝天门至井口河段在三峡工程运行八十年内的泥沙淤积情况并提出治理工程方案，预测了方案前后河段的河床演变以及港口、航道的泥沙淤积，选择出合理的治理方案。