透水丁坝对不同曲率弯道内三维水流结构影响数值模拟研究

透水丁坝相较于传统丁坝,具有更加卓越的稳定性,安全性,可靠性,因此在绿色航道推广中得到重视,研究的目的在于对比不同曲率河道内三维水流结构变化,进而为不同曲率河道治理提供依据。研究采用数值模拟与实测相结合的方式,对3种湍流模型进行比选和验证,Standard k-ε,RNG k-ε,Realizable k-ε三种湍流模型内岸模拟流速和实测流速相关性系数均低于外岸,RNG k-ε湍流模型实测流速和模拟流速相关性系数最高,最终采用RNG k-ε模型对90°和180°弯道模拟,并对三维流线,流速,床面剪切,水面线分析。结果显示丁坝下游回流区涡轴线受垂向和径向速度梯度影响出现不同程度倾斜,水流撞击2号丁坝在丁坝之间产生两个相反方向的涡,这将对透水丁坝群结构稳定形成威胁但同时也会防止大量泥沙在透水丁坝之间淤积,保证透水丁坝在使用过程中不至于丧失透水性。河道曲率增大导致强剪切层向内岸迁移,180°弯道内出现两个强剪切层,这将导致河床向阶梯型演化,对于曲率大而且狭窄的山区河道在布置透水丁坝后要对内岸侵蚀效果评估,防止强剪切层迁移对内岸构成威胁。水面线呈现内低外高的现象,且在x/L=0.48~0.5的范围里内外岸水面线差值最小,水面出现凹陷。

基于需水过程线的多级泵站扬水灌区供需水量优化调度

为了改善红寺堡扬水系统供需水量在时间维度上存在的不协调问题,以需水过程线和泵站设计流量线为比较对象,构建扬水系统内泵站供需水流量优化调节模型,分析不同时段的灌溉面积、高效节水面积比重和灌溉定额等因素引起的需水流量与泵站设计流量关系。基于需水过程线多级泵站扬水灌区供需水量优化调度模型包括流量平衡模型、需水过程线模型和流量调节模型,对红寺堡扬水灌区4种工况进行模拟。结果表明:在高效节水面积占比为60%时,随着灌溉面积从6.02×104 hm2增加到6.77×104 hm2,红三泵站控制灌域内调蓄水量从1.47×10^(6)m^(3)增加到8.49×10^(6)m^(3),其他3座泵站调蓄规模保持不变;在高效节水面积占比为80%时,红一泵站和红三泵站不调蓄,红四泵站和红五泵站的调蓄规模分别为3.08×10^(6)m^(3)和0.47×10^(6)m^(3)。此模型构建与应用简单,能较好地反映出各级泵站之间、支线之间的配水关系,调节时段和调配流量选择灵活,能够适宜不同调蓄水量需求的多级泵站供水系统。

有压输水系统停泵水锤数值模拟及其防护研究

结合山西中部某引黄工程,采用流体力学的基本原理和特征线法,在泵出口安装两阶段关闭蝶阀和沿管线布设空气阀联合防护措施下,针对输水系统事故停泵引起的水锤问题进行水力过渡分析和计算,得出管线沿程水锤压力和泵出口断面压力变化过程线。结果表明,泵出口安装两阶段关闭蝶阀对高扬程、长距离管道的水锤防护效果较明显,合理控制快慢关时间及角度能有效降低水击压力、机组倒转和倒泄流量。通过调整空气阀的布设位置、口径及进出流量系数,得出在空气阀流入流量系数为0.975、流出流量系数为0.650、口径为450 mm下的水力过渡过程,管路中最大负压水头控制在-1.6 m以内。可见,沿管线合理布置空气阀能有效降低管道负压。

泵输水管线水锤数值模拟及其防护研究

【目的】分析泵输水系统因事故停泵引起的水锤问题,为泵站管线的安全运行提供参考。【方法】根据流体力学原理,建立有压管道非恒定流动的水锤数学模型,利用特征线法进行数值模拟计算;结合山西省庄头支线泵站的特点,在泵出口安装两阶段关闭蝶阀和沿管线布设空气阀的联合防护措施下,分析了其水力过渡过程。【结果】泵出口两阶段关闭蝶阀在快关9s/70°和慢关63s/20°时,水泵机组倒转转速由额定转速的1.41倍降低为无阀防护时的0.94倍,最大倒泄水量由93.47m3降低到12.3m3;在液控蝶阀和空气阀联合防护下,管线负压由-6.9m降低为-2.0m。【结论】通过合理控制蝶阀快慢关闭时间及角度,能显著降低水泵机组倒转和倒泄流量;调整空气阀布设位置、口径及进出口流量系数,可使沿线负压降低到管道承受范围之内,从而保证供水工程的安全稳定运行。

天然连续弯道中水流运动的三维数值模拟

为了研究天然河道中水流运动规律和河床演变及泥沙冲淤,建立了适体坐标下修正的紊流水流数学模型.采用有限体积法离散控制方程,并运用SIMPLEC算法计算了黄河沙坡头河段连续弯道的三维水流流场,通过实测资料对计算结果进行了对比分析.结果表明,模型计算值与实测值吻合较好,反映了天然连续弯道水流的基本特性,即水面的水质点向凹岸运动,而近底的水质点向凸岸运动.说明该模型可以用于模拟天然连续弯道的水流运动.

一维非饱和土壤溶质运移的有限体积法数值模拟

应用有限体积法对非饱和土壤一维溶质运移模型进行数值求解,模拟了土壤水分运动和溶质运移的动态过程。并以实测数据验证了模拟结果的合理性与有效性。通过对有限体积法和有限差分法进行比较,说明了有限体积法能很好地避免有限差分方法中常常出现的数值弥散和数值振荡现象,因此在模拟土壤溶质运移规律的研究中,该方法是一种很好的数值方法。

声学多普勒流速剖面仪原理及其在黄河沙坡头河段中的应用

介绍声学多普勒流速剖面仪(ADP)的原理及其于2009年7月16～18日在黄河宁夏沙坡头河段中的应用。采用走航方式测量了该河段中的12个断面,获得了各断面上水深、流速、流量等大范围的断面观测资料,并探讨了数据处理方法。该研究为在复杂地形水文条件下使用ADP技术提供了理论参考。

黄河沙坡头连续弯道环流运动与冲淤特性实测数据分析

利用声学多普勒流速剖面仪、回声测深仪等测量仪器,对黄河沙坡头段连续弯道中10个典型断面的流速、水深、河床高程等进行了实测。通过分析各断面流速等值线、平面流场和近几年河床高程的变化情况。结果表明,弯道断面流场的主流分布与河床底部泥沙冲淤分布基本相一致,满足弯道水流的一般规律:凹岸冲刷,凸岸淤积。

土壤水-盐运移规律数值模拟研究综述

土壤水是联系地表水与地下水的纽带,在水资源的形成、转化及消耗过程中有着重要作用,与农业、水文、环境等领域都有密切联系,所以对土壤水盐运移机制的深入认识,有助于推求模拟土壤水盐运移过程中简单而适用的数学模型,对盐碱地的开发利用有一定的指导意义.讨论了土壤水分运动基本方程、土壤盐分运移基本方程以及可用于模拟土壤水盐运移规律的数值方法——有限差分法、有限元法、特征线法和有限体积法,并比较了有限差分法和有限元法.

有限体积法在土壤水分运动数值模拟中的应用

应用有限体积法,以土壤水动力学原理为基础,对以含水率(θ)为因变量的一维非饱和土壤水分运动数学模型进行离散化,得到了该模型的有限体积法数值模型。所得到的数值模型形式简单,计算精度高,符合实际工作的要求,为进行田间非饱和土壤水分运动的数值模拟奠定了基础。

同心扬水三泵站出水渡槽改造后水面线分析计算

为了分析同心扬水三泵站出水渡槽在加固维修后,出现水流紊乱的原因,采用迭代法计算渡槽正常水深和临界水深,并且实现了自动计算和自动判断水面线形状以及推求水面线的程序.通过对渡槽内水面线进行计算并与实测水深比较,得出两者误差较小、吻合较好.根据计算和分析结果表明,加固维修第17节和23节槽壳后,使得槽内水流紊乱,并且部分槽壳行水断面不够.因此,建议更换第17节和23节槽壳,以使渡槽中的水流平顺通过,满足下游灌溉需水流量的要求.

QUICK格式在土壤水分运动数值模拟中的应用

运用有限体积法中的QUICK格式,对一维非饱和土壤水分运动方程中的对流项进行了高精度离散,通过经典的数值算例验证了本格式具有精度高、编程简单,计算速度快等特点。并与中心差分格式、迎风格式进行比较,QUICK格式不但能很好地避免数值振荡现象,而且与实测结果吻合较好。

有限体积法在土壤水分运动数值模拟中的应用

应用有限体积法,以土壤水动力学原理为基础,对以含水率()为因变量的一维非饱和土壤水分运动数学模型进行离散化,得到了该模型的有限体积法数值模型。所得到的数值模型形式简单,计算精度高,符合实际工作的要求,为进行田间非饱和土壤水分运动的数值模拟奠定了基础。

大柳树—沙坡头河段泥沙运移二维数值模拟

黄河大柳树—沙坡头河段位于宁夏境内,是由5个弯道组成的连续弯道,具有较为复杂的地形特征.利用所建立的修正的平面二维RNG k-ε紊流泥沙数学模型,对该河段水流运动及泥沙运移进行了平面二维数值模拟研究.采用全沙模型,考虑不同粒径组悬移质和推移质运移对河床演变的影响.通过数值模拟结果与实测结果的对比分析,表明该模型能够模拟具有连续弯道的天然河流水流运动及泥沙运移过程;建立了一种关于泥沙数学模型中水流模块和泥沙模块的半耦合式算法,其计算量比耦合式算法较小,但计算精度比分离式算法较高.

黄河沙坡头连续弯道水沙实测结果分析

利用"河猫"系统、回声测深仪等测量仪器,对沙坡头水库连续弯道8个典型断面的三维流速、水深、河床高程和悬移质泥沙粒径分布等进行了实测及分析;通过比较2004年、2007年和2008年3次河床高程的实测结果,讨论了这3年来河床冲淤变化情况;为了验证实测结果,利用k-ε紊流模型对沙坡头连续弯道的水流运动进行了三维数值模拟,比较了主流流速和横向流速大小的数值模拟结果和实测结果,得到了较为一致的结果,反映了"河猫"系统能够较为精确地测量天然河道的三维流速。

宁夏沙坡头河段二维水沙运动数值模拟研究

以沙坡头河段水沙运动为研究对象,利用平面二维水沙运动数学模型,采用非结构网格对模拟区域进行网格划分,以有限体积法为工具对水库的水沙运动进行了数值模拟。流速、河底高程模拟值与实测值的比较表明,所建立的平面二维水沙模型能够较为精确模拟沙坡头库区二维水沙运动,所采用的非结构网格有限体积法是适用的。研究结果为进一步研究水库的泥沙淤积规律奠定了基础,对水库的高效运行具有一定的参考价值。

寒冷地区供水工程引水明渠结冰问题数值模拟

以宁夏吴忠金积供水工程为例,对在冬季寒冷地区利用引水明渠从河流或水库引水时遇到的结冰问题进行研究。利用一维非恒定水力热力耦合数学模型对3种典型工况下引水明渠水温分布进行数值模拟,得出不同水深、不同风速时的初始结冰位置。利用冰盖厚度发展数学模型对10 a来冰盖发展情况进行数值模拟,并与经验公式计算结果进行对比,得到了较为一致的结果。根据数值模拟结果,得出寒冷地区引水明渠冬季供水时渠水温度的分布规律,总结出影响水温分布及初始结冰位置的因素。

黄河沙坡头连续弯道水流运动三维数值模拟

用可实现k-ε数学模型对黄河沙坡头建立水利枢纽后库区连续弯道的水流运动进行了三维数值模拟.得到了不同断面处垂线平均流速分布、断面流速分布、主流流速和二次流的数值模拟结果,对部分断面弯道环流及水面处离心环流进行了模拟和分析.数值模拟结果与实测结果吻合较好,表明该模型可以用于对具有连续弯道的天然河道河流数值模拟中.

水洞沟水库泥沙淤积测算及运行方案研究

水洞沟水库是宁蒙交界处的一座工业供水水库,从黄河青铜峡-石嘴山河段用抽水泵站通过压力管道引水.利用2011 年10 月至2013 年11 月水库泥沙淤积实测资料,将水库运行阶段分为2011-2014 年、2015-2019 年、2020-2029 年,计算了4 种运行方案下的淤积量和平均淤积厚度.结果表明：①水库应尽可能避免在结冰期和含沙量较大的时期进水;②尽可能采用间歇式集中进水的方式;③2011-2014 年水库宜采用低水位运行,2015-2019 年、2020-2029 年宜采用高水位运行;④2015-2019 年、2020-2029 年宜采用的水库运行方案为每月间歇进水2 ～3 次,其中3 月比实际用水量多进水300 万m^3 ,4-6 月每月均比实际用水量多进水100 万m^3 ,其他月份进水量与用水量相等.

黄河大柳树河段河床演变的三维数值模拟

针对河岸冲刷、河床演变显著的河流,建立考虑河岸变形的三维水沙数值模型,对黄河大柳树河段的河势演变进行数值模拟分析研究。模型中利用三角形网格和局部网格移动及局部加密技术,采用有限体积法离散控制方程,以及基于非结构化同位网格中的SIMPLE算法进行数值求解。依据2011年11月至2012年10月黄河大柳树河段典型断面实测资料对数值模拟结果进行验证,模拟结果与实测结果吻合较好。结果表明该模型能够较好地模拟黄河大柳树河段的水流运动和河床演变,模型中提出的河岸修正技术和局部网格加密技术可有效提高模拟计算精度和效率。