防潮闸启闭影响下的河口水流泥沙运动状态研究

为研究防潮闸启闭与跨水工程建设对河口地区水流泥沙运动状态的影响,以河口近闸跨水工程为背景,建立了以Godunov格式有限体积法为基础的二维浅水流动数学模型和基于固液二相流理论的二维水流泥沙数学模型,并以实测资料进行必要验证,结果较为吻合。在此基础上,建立了永定新河河口区域二维水沙数值模型,将该模型应用于滨海新区Z4线一期跨河工程段的水沙分析,并对工程建设后永定新河河口水流泥沙运动的变化趋势进行预报。结果表明永定新河河口二维全沙模型较为可靠,可为河口近闸跨水工程的相关分析提供研究思路和方法。

滦河下游腰庄段丁坝群水流特性及局部冲刷三维数值模拟

为探究滦河下游丁坝群对水流特性影响及坝头冲刷变化情况,利用Flow 3D建立了滦河下游腰庄段丁坝群三维水沙模型,采用2015年实测数据对模型进行了验证。模拟了5 a一遇和10 a一遇恒定流与非恒定流工况下丁坝群坝头流速分布及局部冲刷。结果表明,丁坝群能够有效减缓水流流速,改善水流对河岸的侵蚀,对滦河下游腰庄河岸起到保护作用。在恒定流条件下,10 a一遇工况较5 a一遇主流最大流速区逐渐偏向右岸,同时受主流冲击的丁坝流速增加约1.7 m/s,其余丁坝流速增加约0.9 m/s。在行洪过程中,受主流冲击的典型丁坝坝头产生了明显的冲刷坑,其中丁坝冲刷坑形态呈沿水流方向的狭长带状。随着重现期的增加,典型丁坝坝头冲刷坑深度增加约1 m,同时丁坝坝头冲刷带开始向上游延伸。研究成果可为丁坝局部冲刷安全分析提供参考。

河道、滞洪区洪水演进数学模型

采用有限体积法建立了适应河道、滞洪区复杂情况的洪水演进一、二维衔接数学模型.构造了适合河道洪水计算的一、二维河道型网格和滞洪区二维地面型网格,网格具有多点、多面,既镶嵌又衔接的特点.阻水建筑物对洪水演进速度影响较大,所以,将其模化成特殊通道,提出了洪水演进过程中渗流所造成的水体损失的计算模式.将该模型应用于大清河滞洪区,讨论了洪水边界条件,确定了模型糙率,率定了模型渗流参数.结合大清河"96.8实测洪水资料"进行了洪水演进数值模拟,分别对河道的水位、流量和滞洪区来水时间进行了模型验证,验证结果基本吻合.

蓄滞洪区洪水演进数学模型研究及应用

以二维非恒定流基本控制方程为理论基础,采用有限体积法,建立洪水演进数学模型.根据蓄滞洪区内不同地形条件及洪水调度方案,以相应的水动力学方法,对模型区域的通量、蓄水量和洪水实时淹没水位进行计算,并考虑了公路建设中路基体积、涵洞尺度、取土方量对蓄滞洪区洪水演进的影响.采用恩县洼蓄滞洪区的历史洪水淹没资料进行模型验证,模拟了自然滞洪和分区滞洪两种情况下的洪水淹没过程,模拟结果与历史统计淹没范围基本吻合,预报了公路建设后蓄滞洪区洪水位的变化及风浪对洪水最大淹没范围的影响,为蓄滞洪区中的工程建设和防洪影响评价提供了研究思路和方法.

永定河泛区洪水调度数值模拟

提出了具有旁侧出流的河网独立计算的一、二维多口门嵌套衔接模式,建立了一维河道嵌套于平面二维永定河泛区洪水演进水流数学模型.结合历史调查洪水资料对永定河泛区洪水演进进行了模型验证,二者结果基本吻合.应用该模型对永定河泛区洪水调度方案进行了模拟,先后模拟了无机场、机场近期建设后和远期建设后3种工况下的洪水演进过程.分析对比机场建设前后各分洪区洪水位、滞洪量、淹没范围的变化.模拟结果显示,各分洪口门启用时间稍微提前,机场建设区寺垡辛庄口门启用次序稍有变化,水位的雍高、分洪量的增量、淹没范围的变化对泛区洪水调度方案影响较小,表明了机场建设的可行性.该研究为淹没区的洪灾损失评估及相应的防洪调度方案修订提供了必要的参数和依据.

基于SPH法的二维矩形液舱晃荡研究

液体晃荡是一种复杂的流体运动现象,自由液面的存在使得该现象具有很强的非线性和随机性。针对二维矩形液舱在不同振幅水平激励下的纵荡问题,应用SPH法对其进行了数值研究。首先计算了小振幅激励下的纵荡,计算结果分别与线性理论解、文献VOF法结果及文献SPH法结果作了比较分析,以验证所建数值模型的合理性;然后计算了液舱在大振幅水平激励下的纵荡,着重分析了不同振幅下液体晃荡的速度向量图、液面波动时程、压强波动时程、动量波动时程以及波动的频谱图,并将计算所得液面波动结果与小振幅激励下的液面波动结果作了比较。分析结果表明,在大振幅水平激励下,液面波动的波峰值较小振幅下的结果有较为明显的增大,而波谷值则无过大的变化,总体波动幅值比小振幅下的结果大;随着激励幅值的增大,液面波动幅值呈现明显增大的趋势,压强的整体波动幅值也呈增大趋势,动量波动的均值亦有明显增大;波动能量随着激励幅值的增大而增大并向第一阶频率区域集中。SPH法对处理液体大幅晃荡这种具有自由表面大变形的问题有十分优越的特性。

具有闸、堰的一维河网非恒定流数学模型及其在多闸联合调度中的应用

对含有多个闸、堰等水利工程的河网,从闸门运用和河道行洪两方面考虑,采用三级联解法建立一维河网非恒定流数学模型,提出双向迭代内边界控制法对具有闸、堰的特殊河段求解。将这种模型应用于天津市永定新河洪水演进计算,考虑了该河网复杂的水闸控制条件,模型验证的结果和实测资料基本一致,将其应用于多闸联合调度方案的数值模拟,对永定新河下闸位建闸方案的确定和建闸工程的实施具有积极的指导作用。

河道洪水演进的二维水流数学模型

提出了河道洪水演进二维水流数学模型的计算模拟方法．考虑了上、下游洪水边界的控制条件及糙率随河道流量变化的调整，并与采用不同尺度流、波分离方法得到的一维洪水波演进的理论解进行了比较，以永定河上游芦沟桥至金门闸河段为例，进行了计算验证，结果吻合良好．

多孔介质内部流动模型及其数学模拟

从多孔介质微元体运动分析出发,建立了动床多孔介质内部流动连续和运动方程,给出了多孔介质内部流动模型 对多孔介质内部溶质大分子中流体运动进行了三维数学模拟。

基于MIKE 21模型的洋河水库水质模拟

近年来,由洋河水库富营养化引起的供水安全问题日益突出。为应对洋河水库富营养化问题,基于迁移扩散及对流扩散理论,利用MIKE 21二维水动力模型对其水质进行了模拟。考虑污染物随水流入库及出库过程,分析了在水动力作用下TN、TP、NH3-N随时间迁移扩散的质量浓度变化及分布情况。结果表明：模拟初期污染物以扩散为主,高浓度区域主要集中在入流处,在入流高峰期污染物向整个库区扩散,垂直水库中心线以西出现高质量浓度水域;入流与出流稳定期污染物以降解为主,水库中心水域污染物质量浓度较高。最终模拟得到库区TN质量浓度约为4.5 mg/L,TP质量浓度为0.06-0.075 mg/L,NH3-N质量浓度为0.20-0.25 mg/L;9月水库实测TN、TP、NH3-N质量浓度分别为5.0 mg/L、0.008 mg/L、0.20 mg/L,与模拟结果基本一致。研究表明,8月中旬到9月中旬,洋河水库污染物浓度较高水域极易暴发富营养化,此结论可为洋河水库水质评价、供水安全及污染物治理提供参考。

基于AHP的泥石流区域预报数学模型研究

以天津蓟县山区作为研究区域,根据泥石流形成的水动力模式,综合考虑将发生频率、24,h最大降雨量、水流流速、地形坡度、岩性、植被覆盖类型和人口密度等作为泥石流危险因子.采用地表水模型系统进行研究区域网格的划分,生成步长均值为500,m的无结构不规则三角形和四边形网格,再用Fortran程序读取生成的网格信息,得到网格中单元-通道-结点三者的关系,最后利用有限体积法进行降雨量的水动力计算,建立基于层次分析法的预报模型.最后,根据计算出的网格危险等级对蓟县2012年发生的双安泥石流进行了验证,验证结果与实际吻合,说明泥石流区域预报模型建立方法的可行性.

烟台港栾家口港区海上溢油数学模型

为了研究海上溢油油膜的扩散及漂移,建立了烟台港栾家口港区附近海域二维水动力数学模型,模型网格采用有限元三角网格剖分模型,用调和分析法确定模型边界条件。溢油油膜的扩展及漂移考虑了风场和流场的作用,并借助水槽试验验证油膜扩展公式的正确性。对栾家口港区溢油模型进行潮位、流速以及流向验证,说明模型的适用性。依据所建立的溢油模型,对栾家口港区附近海域在不同风况条件下溢油运动轨迹及扩展范围进行了计算。分析了不同溢油点瞬时溢油与连续溢油的油膜运动轨迹的成因、比较了不同工况油膜扩展过程,为海上溢油事故影响范围预测和应急处理实施提供了重要的理论依据。

海上溢油数学模型的研究与应用

海上溢油,对海洋环境影响很大,通过对油膜扩散理论的研究,提出了考虑油膜蒸发、油膜乳化影响的油膜扩展、扩散、迁移和衰减的海上溢油模式,结合水动力数学模型,建立了在潮汐、风浪作用下油膜运动的海上溢油数学模型.应用此模型对大亚湾海区油码头瞬时溢油事故后的影响范围进行了模拟,并分析了溢油后油膜运动的几种基本情况,比较了工程控制措施前后溢油的影响范围,给出了溢油污染区域的几个主要特征量,在大亚湾水域的海上溢油模拟中得到室内实验和示踪物扩散实测资料的验证,为应付海上突发溢油事故对海湾的污染治理和环境评价提供了科学依据.

渤海海洋溢油的数学模型

建立了嵌套模式的渤海二维水动力数学模型,模型网格采用显隐交替有限差分格式(即ADI差分格式)进行计算.用追赶法逐段求解,用调和分析法计算模型的水动力边界条件,将潮汐过程计算结果与实测资料进行对比验证其结果吻合良好.溢油数学模型理论公式考虑了实时风场和表面流场作用下油膜质心的迁移和扩散范围,模拟了海上溢油油膜运动轨迹,并用水槽实验验证了公式的正确性.在水动力模型基础上应用溢油运动模式建立了海洋溢油数学模型,对风场作用和无风作用两种条件下的静止点源瞬时溢油和连续溢油运动轨迹和扩散范围进行了计算、分析和比较,并计算了有、无风场作用时移动点源连续溢油污染扩散范围,为海洋溢油数学模型的研究提供了较完整的思路.

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。

跨河道大桥防洪影响数学模型的研究与应用

采用集中质量的有限元方法建立数学模型,对天津至保定新建铁路特大桥梁工程对西河河道的防洪影响进行了模拟。在模型中提出了采用单元扣除法来对桥墩进行模化处理。为考察斜跨桥梁桥墩形状和布设方位对水流的阻碍作用和桥墩的局部冲刷深度,在桥墩附近进行加密模型计算。将此模型应用于西河特大桥防洪影响计算,通过分析可知该模型计算结果基本合理,为处理铁路桥及公路桥跨越河道的问题提供一个可行的解决途径。

蓄滞洪区洪水演进一、二维数值仿真及其在洼淀联合调度中的应用

为了实现蓄滞洪区内各洼淀实时洪水调度,考虑到蓄滞洪区内复杂河网与洼淀交错的情况,建立了河道、滞洪区联合计算的一、二维衔接洪水演进数学模型,在考虑铁路、公路、堤防及桥涵等阻水建筑物等复杂边界条件下,采用有限体积法进行离散和求解。结合蓄滞洪区实时洪水调度仿真系统的总体框架,建立了模拟洪水在蓄滞洪区内任意位置的水位、流速、淹没水深、历时等演进过程的一、二维洪水演进数值仿真系统。结合大清河实测资料对东淀滞洪区洪水演进进行了模型验证,结果基本吻合,并应用该系统对大清河滞洪区五洼联合调度方案进行了实时模拟,分析了洼淀联合调度下出现的倒淀现象,对不同方案进行了比较分析,实现了实时的洪水调度分析。

城市暴雨沥涝数学模型的研究与应用

为解决城市沥涝问题,以二维非恒定流方程为基本控制方程,按照水量平衡法改进的有限体积法思想,结合城市复杂的汇流特点,提出了一种分区分层的计算模式,构建了二维城市暴雨沥涝数学模型,包含了社区汇流、路网汇流、管网汇流和河道汇流4个计算模块。以天津市示范区段为研究对象,依次模拟了2009—2015年10次降雨过程,分析对比了验证点积水水位和湘江道的津河液位。模拟结果显示,河道液位模拟值与实测值变化趋势基本一致,两者平均值之间的误差均<10 cm,表明了模型具有一定的计算精度,可用于城市内涝监测预报,同时也为城市暴雨沥涝数学模型研究提供了新的方法和思路。

全沙数学模型在港口环境评价中的应用

本文提出了用两相流连续方程、运动方程描述底沙推移质运动模型的方法 ,建立了封闭求解的二维全沙数学模型方程组 ,对悬沙与底沙的交换问题进行了讨论。引入了平衡挟沙和非平衡挟沙交替计算的新方法。将此模型初步应用于港口建设的工程环境评价中 ,得到水流泥沙实测资料的验证 ,说明全沙数学模型方法是正确的。

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.