斜交桥墩影响下的弯道水流运动三维数值模拟

斜向建设的桥墩常见于天然弯曲河道中,其改变下游水流运动趋势,并对堤防稳定产生不利影响。为探究连续弯道中斜交桥墩对水流运动特性的影响,运用MIKE Zero系列软件中的水动力模型对圆柱形桥墩不同建设位置及桥墩与河道呈不同斜交角度的工况进行数值模拟,分析各工况下桥墩对水位和流速的影响。研究结果表明:在弯道不同位置布设不同斜交角度的桥墩时,各位置墩前最大壅水高度均在桥墩斜交角度α为30°~60°时呈增大趋势;此外,各工况平面流速均随斜交桥墩偏移的方向增大,且桥墩斜交角度越大首末组桥墩周围流速相差越大。修建桥墩后的弯道中心区域墩后断面横向流速及纵向流速均较无墩情况下降低,且随桥墩斜交角度的增大流速降低现象愈发明显,但弯道凹岸及凸岸区域墩后断面横纵流速均不同程度增大,并始终大于桥墩建设前的流速。相邻弯道间前弯对其后弯的横向环流结构发展进行反向抑制,在弯道连接段修建桥墩时其墩后断面环流范围小于在弯道段修建桥墩时的环流。这些发现为弯道涉河桥梁规划及护岸工程设计提供了依据。

弯道水流对下游回水响应特征试验研究

弯道水面横比降及断面环流是弯道水流的显著特性。通过U形弯道水流壅水试验,对弯道水面横向比降、横向流速分布、环流强度、紊动能及纵向流速沿程的变化进行了试验研究。结果显示,随着下游回水的抬高,弯道水面横比降、横向流速分布、环流强度、紊动能及纵向流速将发生明显的改变。为深入探讨下游回水对弯道水流结构的影响提供了科学依据。

弯曲河道纵向垂线平均流速平面分布的研究

本文以弯道水流运动方程作为分析的基础，根据弯道水流纵向流速沿垂线分布在凸岸区域眼从对数分布律，在四岸区域眼从抛物分布律，导出了分区域变自率动床弯道水流纵向垂线平均流速计算公式，并从理论上对河湾纵向垂线平均流速的横向分布和沿程变化规律进行了分析，同时给出了适用于定半经弯道的纵向垂线平均流速平面分布公式的简化形式。最后采用美国ＦａｌｌＲｉｖｅｒ野外水流观测资料对纵向垂线平均流速计算公式进行了验证计算，结果令人满意。

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.

弯道横向环流试验及分析

文章阐述了弯道横向环流的形成机理,建立了180°矩形断面弯道的概化模型,据此来分析弯道水流环流的流态特征。根据环流强度在不同剖面的沿垂线分布情况和等值线图,分析了弯道环流强度。通过流场在弯道各种断面的情况,得出的弯道环流特性可为相关的理论研究及工程实践提供理论基础。

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。

小浪底水库的拦粗排细及异重流排沙——“黄河调水调沙的根据、效益和巨大潜力”之七

介绍了水库淤积时的泥沙分选规律,给出具体分析公式和算法。对小浪底水库异重流排沙做了深入分析,包括潜入条件和异重流畅流排沙、浑水水库排沙以及两者结合的排沙效果,指出后者排沙比最大,同时验证了排沙时的淤积及分组排沙比。在调水调沙过程中,应很好地利用异重流排沙。

时间二次插值求解浅水方程的显式模型

在文献[1]的基础上,提出了一种对时间项进行二次插值所得到的显式模型,其有更好的稳定性及经济性,由算例表明,本模型具有解法直观,易编程序,节省计算时间及内存,精度较高等优点。

胶州湾潮致余环流与水道-沙脊演化

胶州湾保存了较为完整的水道-沙脊体系。在人类高强度工农业活动干预下,水道的稳定是关系到该地区经济可持续发展的重要问题。数值模拟显示,受海岸线和水下地形的控制,胶州湾内外形成了若干规模、强度不等的潮致余环流系统;不同时期的水下实测地形图的对比揭示出沧口水道作为胶州湾内一条重要的黄金水道,呈现出不断淤积萎缩的趋势,据分析与余环流持续提供的细颗粒泥沙淤积有关。胶州湾潮致余环流对维系湾内、外的水力泥沙联系和水道-沙脊体系的演化具有重要作用。

小浪底水库淤积与下游河道冲刷的关系-“黄河调水调沙的根据、效益和巨大潜力”之六

从理论上证明紧靠水库下游河道的排沙比与水库排沙比有密切关系,并且几乎是单值的函数。利用三门峡水库20年运行资料,建立了其排沙比与下游河道排沙比的关系。同时用小浪底水库初期运用7年资料进行了检验,证明是符合实际的,进而给出了在不同来沙条件下,小浪底水库各种淤积情况时下游河道排沙比、冲刷数量、减淤比及减淤时间。下游河道排沙比与水库排沙比关系表明,河道冲刷量与减淤量均存在极大值,这表明该关系表达机理的深刻。显然这个关系对调水调沙是很重要的,可以立刻作出有效的选择。

北槽坝田环流特征及环流对坝田冲淤的影响

通过建立二维模型,对长江口北槽深水航道水沙运动及冲淤状况进行模拟,分析了北槽坝田局部环流的特征及形成原因,并结合北槽洪季冲淤状况,分析了坝田形成冲刷区的水动力原因及环流对坝田冲淤的影响。分析表明,坝田环流在不同时刻、不同区域具有相应的特征及成因,且坝田环流的位置,平面尺寸及出现与否都对坝田冲淤有影响,大范围的、中心更靠近滩槽的环流有利于坝田的淤积。

亚临界雷诺数下圆柱和方柱绕流数值模拟

基于RNG k-ε模型,采用有限体积法对亚临界雷诺数条件下（Re=3×102～3×105）的二维单圆柱和单方柱绕流进行数值模拟与仿真。得到了圆柱和方柱绕流阻力系数Cd与Strouhal数随雷诺数的变化规律。同时对雷诺数Re=22 000下的圆柱、方柱绕流相关特性进行详细对比分析。计算结果表明：同一雷诺数下,单圆柱绕流阻力系数Cd较单方柱低,但圆柱的Strouhal数较单方柱则要高。虽然二者边界层分离点不同,但流场的演变与漩涡的脱落具有一定相似特性。

环流非充分发展的弯道床面切力计算

本文从环流非充分发展的弯道水流入手,对微分水体进行了受力分析,建立了床面切力计算公式(10)及(13).利用实测资料对公式进行了验证,成果表明计算值与实测值基本一致.

大柳树水利枢纽对宁蒙河段防凌影响数值模拟

黄河宁蒙河段凌汛期封河自下而上,开河自上而下,容易形成冰塞壅水,导致冰凌灾害。采用一维、二维水温数学模型模拟计算了冬季三种不同气象条件下拟建大柳树水库运用后下游宁蒙河段沿程水温分布及结冰点的位置。由计算结果可知:在正常气温、热型气温、寒冷气温条件下,初始结冰点的位置分别距离大柳树水库坝址320.4、331.6、276.5 km。预计大柳树水库建成后,宁夏河段将成为不封冻河段,青铜峡水库库尾冰塞现象不再出现,石嘴山至乌海段冰塞问题基本缓解。零温断面位置将下移到石嘴山至磴口之间,距大柳树水库坝址约320 km。

基于最大熵定理的弯道轴线水位模拟

为研究明渠弯道水流中轴线的沿程水位分布特征,以物理模型试验的数据为基础,构建了基于最大熵定理的数学模型进行分析。结果表明:当弯道段进口与出口两端以直线段连接时,水位具有一定的递减趋势;通过对弯道轴线水面沿程分布模型所得结果进行误差分析检验可知,该模型具有一定的准确性、稳定性和代表性,为弯道水流运动研究提供了新的思路。

环流修正模型对连续弯道水流模拟的适用性分析

现有的环流修正模型多通过对单弯道或曲率较小的连续弯道的水流模拟来验证,其对曲率较大的连续弯道或天然河道水流模拟的适用性有待进一步分析。为解决这一问题,该文将修正模型应用于曲率较大及与天然河道平面形态相近的变曲率连续弯道的水流模拟中,来检验修正模型的适用性并分析修正项的作用。结果表明:修正模型模拟的水深略高于非修正模型,纵向水深平均流速与实测值更接近,在壁面附近尤为明显。通过对修正项的分析得出,修正项的量级与黏性项量级相当,其作用不可忽略,且在壁面附近对流速的修正作用最明显。通过分析表明,该文所采用的修正模型对曲率较大的连续弯道的水流模拟具有一定的适用性,对壁面附近流速模拟精度的提高使得本文修正模型更适用于弯道横向演变的模拟研究。

黄河大柳树河段水流运动与河床冲淤特性精细实测数据初析

拟建的大柳树水利枢纽坝址位于黄河上游干流黑山峡峡谷出口处,控制黄河流域总面积的33.6%,总径流量的58%,总输沙量的10%,水多沙少,水资源开发条件优越。本文利用声学多普勒流速剖面仪、RTK和激光粒度分析仪等先进测量仪器,对黄河大柳树河段连续弯道中19个典型断面的三维流速、水深、河床高程、岸边水位、粒径等进行了实测。对黄河大柳树河段建库前的水流运动、泥沙输移、河床高程等问题进行研究。分析了各断面垂线平均流速、泥沙粒径和河床高程变化情况,并探讨了天然弯曲河道水流运动与河床冲淤变化之间的关系。结果表明,利用声学多普勒流速剖面仪能较好的测量天然河道流场、河床高程等,其测量成果可为科学管理、工程建设和运行大柳树水利枢纽提供基本资料。

缓变曲线改善120°弯道水沙运动的三维数值模拟

人工河道的弯道段大多曲率单一,水流动力轴线的曲率与弯道曲率难以匹配,导致了流固分离和弯道二次流的产生。针对弯道曲率突变问题,引入两种插有缓变曲线的弯道形式,研究缓变曲线对120°弯道水沙特性的影响和流态的改善。运用MIKE 3水动力模型和泥沙输移模型对单曲线弯道、缓圆缓弯道和对称凸弯道进行数值模拟,对比分析不同弯道型式在冲刷和定床两种工况下的近底流速、水面横比降和超高、弯道环流和河床冲淤变形。研究结果表明:插有缓变曲线的两种弯道可以遏制弯道中水体湍动的发展,改善120°弯道水流的流态,能够有效减小弯道凹岸冲刷、凸岸淤积的现象,缓解河床的冲淤变形。

大宽深比变曲率弯道水动力结构大涡模拟研究

弯曲型河流是自然界常见的河流形态,弯曲引起主流、二次流与湍流紊动相互作用,产生复杂的水动力结构,影响河流演变和物质输运。目前相关数值模拟及试验研究多针对小宽深、常曲率弯道,与天然河流大宽深、变曲率形态存在较大差异,为了揭示与天然河流相近的弯道水流运动特性,本文针对大宽深比正弦派生曲线弯道三维水流运动进行大涡数值(LES)模拟研究,结果表明:零曲率断面中心区域二次流沿河宽方向分布最为均匀,回流区范围最大,在大宽深比弯道中,回流区范围最大可达断面面积的15.5%。大宽深比弯道中部流动受到弯曲边界约束较弱,主流区内顺流向流速分布较小宽深比工况更接近于顺直矩形明渠,大宽深比情况下,主流核心区集中在弯道中线附近0.5~1倍水深范围,随着宽深比增大,弯顶附近涡量绝对值增大,对下游的影响范围增大。大宽深比弯道中水流紊动能整体水平较低,紊动能等值线分布和顺流向时均流速等值线一样,均受二次流影响,主流区中心紊动能最小,主流和局部回流区间的剪切层紊动能最大。

垂向基于谱方法的三维弯道水流模型

传统平面二维水动力模型模拟弯道水流时，将流速垂向分布固定化，不能随边界变化和二次流发展进行调整，而垂向完全自动调整的三维水动力模型计算效率低。该文采用谱方法将平面流速的垂向分布用正交多项式表示，通过加权余量法建立简易三维模型，对流项采用基于Gauss点的半Lagrangian法（semi-Lagrangianscheme，SLS）计算。由急弯弯道水流试验验证可知，多项式阶数大于1时模拟结果较好。弯道主流线位置预测整体误差不超过7％，精度和传统的三维水动力学模型相当。对涡黏性系数简单求解，但考虑了垂向和水平方向的差异性，能够得到合理的弯道水流结构。垂向基于谱方法建立的三维模型，无垂向网格离散，计算量明显减少，获得了与平面二维模型相当的计算效率。