基于MIKE21的儒乐湖水体更新时间时空分布特征研究

在复杂水动力环境作用下,水体更新时间是城市景观湖泊良好运行的保证。本文运用数值模拟的手段,基于MIKE21建立了儒乐湖平面二维数学模型,定量分析不同季节湖区水体更新时间的时空变化特征,分析入流和风场对水体更新时间的影响。结果表明:儒乐湖湖区流速呈现西高东低的梯度变化特征,不同季节下湖区内部均出现众多环流区。湖区内部水体更新速度时空异质性明显,湖区西北部快于东南部,夏季和秋季快于春季和冬季,实际风场作用下形成的环流对儒乐湖岸线弯折段水体更新有正向促进作用。

涌潮水流作用下桩柱表面压强及受力分析

涌潮水流是一种蕴含较大能量的强非线性间断流.针对我国钱塘江河口地区范围内桥墩等桩式建筑物在涌潮水流作用下长期遭受的猛烈冲击问题,采用物理模型试验对桩柱在潮前水深上下两部分表面压强时程变化及涌潮潮头最大冲击压强出现位置进行了探讨并拟合得到最大冲击压强计算公式;采用数值模拟手段进行分离式建模,对桩柱在潮前水深上下两部分受力进行提取分析并拟合得到涌潮作用力计算公式.研究结果表明,涌潮水流与桩柱相互作用过程可分为3个阶段:在瞬时冲击期内,潮前水深以上桩柱部分在潮头猛烈冲击作用下,桩柱表面压强及受到的作用力瞬间增大至极大值,潮前水深以下部分表面压强和受到的作用力增长缓慢;衰减振荡期内,桩柱在潮前水深以上部分表面压强和受到的作用力迅速下降,潮前水深以下部分压强波动不大,受到的作用力衰减速率明显小于潮前水深以上部分;绕流作用期内,桩柱在潮前水深上下两部分表面压强和受力波动逐渐减小.桩柱在涌潮作用下表面压强及受力大小与涌潮水流参数中的潮前水深h0和落潮流速V0呈负相关,与涌潮高度H呈正相关;涌潮作用下最大冲击压强出现在0.5 H附近,拟合得到的最大冲击压强及作用力计算公式经验证后具有良好的精度,可为相关应用提供参考.

涌潮水流CFD数值模拟

涌潮是一种对涉水建筑物冲击巨大的非线性强间断流,实现涌潮的小尺度精细模拟是分析涉水建筑物在涌潮作用下结构稳定性的前提。采用大涡模拟(LES)技术求解N-S方程,利用流体体积法(VOF)实现对自由水面的追踪,边界上给定基于涌潮理论公式推导出的涨潮流速与水深条件,进行了涌潮的小尺度精细模拟。结果表明,数值模拟得到的涌潮传播速度与理论值比较接近,Fr<1.3时为波状涌潮,Fr>1.5时为旋滚涌潮,涌潮形态分区与前人的试验成果吻合。在涌潮传播过程中,潮头处流速最大,且表层流速波动幅度始终大于中低层流速波动幅度,旋滚涌潮潮头水体紊动比波状涌潮强烈。模拟结果同时表明涌潮潮前水深与涌潮高度是影响潮头流速波动和形态的主要因素。上述涌潮模拟方法可为涌潮河段涉水建筑物的结构设计及安全评估提供参考。

涌潮水流引发的桥墩局部冲刷试验

针对河口地区桥墩等桩式建筑物在涌潮水流作用下出现的局部冲刷问题,采用物理模型试验对涌潮水流引发桥墩局部冲刷的机理以及局部冲刷坑形态变化进行研究。试验结果表明:涌潮水流引发桥墩局部冲刷过程中桥墩局部切应力逐渐衰减,潮头水流虽然引发较大的床面切应力,但是由于作用时间短,所以只造成大量泥沙起动,在后续快水阶段桥墩局部冲刷迅速发展;涌潮强度和弗劳德数越大,桥墩局部冲刷越强烈;不同截面形式的桥墩,方形桥墩在局部冲刷坑发展过程中,由于涌潮水流下切强度更大,引发了较强的涡系结构,导致迎水面冲刷比侧面绕流冲刷更强烈,圆形桥墩迎水面和侧面冲刷程度相差不大;方形桥墩进行不对称旋转时产生的冲刷深度比对称旋转时大。对试验数据进行多元回归分析后得到涌潮水流引发桥墩局部冲刷的综合计算公式,验证结果表明该公式具有较好的预测精度,与试验值最大误差不超过12%。

双丁坝间流场及局部冲刷的数值模拟研究

因双丁坝对河道流场及泥沙冲淤的影响有别于单丁坝,选取实际河道丁坝群中的双丁坝建立三维模型,并拟定5种对比方案,基于计算流体力学(CFD)数值模拟的方法,采用RNG k-ε模型和VOF法捕捉液体自由面进行模拟计算,对比分析了双丁坝协同工作时的水沙运动特性。流速与冲刷深度计算结果表明,当双丁坝长度相差大于10 m时,易形成不均匀的河道流场,不利于河势控制;当首、次丁坝长度协调时,冲刷坑尺寸较小,坝间河岸被双丁坝回流区掩护,近岸流速较小,河道流场均匀,对丁坝稳定、河道治理与河势控制效果较好。

河流水质时空变化特征及污染源分析研究——以遵义市打秋坪断面为例

根据2017-2020年打秋坪断面水质监测数据及流域内27个断面2019-2020年水质监测数据,对湘江流域水质现状进行评价,在此基础上分析打秋坪断面以上流域污染物入河量,进而制定断面水质达标方案。结果表明:打秋坪水质逐步向好发展,枯期存在TP超标的现象,其主要污染源为城市生活污染源、农村生活污染源。

基于换水周期的新建湖泊生态需水研究——以南昌市赣南新区儒乐湖为例

城市湖泊特别是新建湖泊受地形低洼影响,其水质安全受外界干扰较大,因此计算生态需水量进行适当的生态补水是保证河湖生态环境和水质的重要措施。儒乐湖是典型的中部平原区新建湖泊,为保障儒乐湖“最清、最绿、最酷”的城市湖泊公园目标,运用换水周期法计算生态需水量并提出水质保障需要的换水周期要求。