广西钦州湾围垦工程对茅尾海潮汐动力参数的影响

北部湾茅尾海是中国南方重要的经济开发区,兴建有滨海新城和多个港口码头,近年来围垦开发严重。本研究通过建立二维水动力数值模型系统,分析重要潮汐动力参数,对比研究1985年与2020年间钦州湾围垦和港口建设对当地水动力环境的影响。结果表明:经过围填海和港口工程之后,茅尾海的潮差变化较小,略微增加了0.05 m左右;全日分潮K1、O1及半日分潮M2、S2是影响钦州湾潮汐动力较大的驱动力,围垦后在茅尾海内海地区都略微增加了0.02~0.03 m,其中K1、O1是影响茅尾海的关键潮汐动力参数,敏感性测试分析表明三墩公路建设、钦州港海岸围垦和核电厂导堤建设对茅尾海潮差增加贡献率大致占60%、20%和10%;同时,围垦对束窄钦州湾航道具有一定的优化效应,围垦后钦州湾外湾三条水道峰值通量都明显增加,形成航道束水攻沙效果,对通航和维护主航道稳定性具有一定优势。因此,仅从潮汐动力参数变化角度分析,目前的围垦和港口工程迎合了当地河势特征,对潮汐动力场扰动较小,具有优化局部水动力场环境和提升通航安全性作用。

汉北河流域强人类活动影响下的暴雨洪水模拟方法

为了研究人类活动影响下丘陵到平原区流域洪水模拟的关键问题,包括流域内降雨空间分布不均、丘陵平原产汇流差异大、下垫面受水利工程建设和调度影响等复杂边界条件,并提出相应的解决办法和模型,以汉北河为例,将大流域划分为11个单元,通过分析场次暴雨在各单元的空间分布解决降雨空间不均的问题;各单元根据各自下垫面条件进行API水文模型参数的率定,解决了丘陵平原产汇流差异大的问题,提高了模型参数与实际情况的贴合度。在模型中,将河流改道、水库、蓄滞洪区、水闸、泵站建设和调度、土地利用等人类活动对汇流的影响纳入物理模型和产汇流模拟中,以便构建符合实际调度的下垫面产汇流体系。模拟计算的洪峰的纳什系数NSE均在0.85以上,模拟结果表明洪峰流量、水位及峰现时间与实测值吻合良好。

基于孔-裂隙的煤层瓦斯抽采热-流-固耦合模型研究

为研究温度因素对负压钻孔抽采瓦斯的影响,建立了基于孔-裂隙双重多孔介质的热-流-固耦合模型,运用数值模拟手段,对比了不考虑温度因素下基于气-固耦合模型的瓦斯抽采特点和抽采效果。模拟结果表明:考虑温度因素影响所得渗透率结果更小,抽采卸压效果相对较弱;初始煤层瓦斯压力越高,煤层温度降低越明显;考虑温度变化影响,针对不同有效抽采半径R,进行了孔间距为2√3 R/3、2R、4R、6R的多钻孔布孔研究,得出有效抽采区域随抽采时间增加呈现由多个小圆柱状发展为一个大圆角三棱柱,最后趋向于一个规则的大圆柱状的变化规律。研究成果可为预抽煤层瓦斯前布孔设计工作及实际瓦斯灾害防控提供一定的参考。

2022年鄱阳湖极端干旱对洪泛区地下水文情势的影响

以鄱阳湖洪泛区湿地为研究区,运用FEFLOW建立地下水流数值模型,定量评估2022年极端干旱影响下地下水文条件的时空响应特征.结果表明,2022年极端干旱对鄱阳湖的持续影响主要发生在下半年7~12月份,极端干旱会导致鄱阳湖洪泛区地下水位大幅度下降以及地下水流速整体加快,且两者变化情况均呈现出明显的空间异质特征.总体上,极端干旱影响的地下水位最大降幅可达5m左右,地下水流速增加幅度约为正常年份的1~2倍,极端干旱的强烈影响区域主要分布在洪泛区的东北部.从原因上分析,降水对地下水的补给量明显减少以及地下水向湖泊的排泄量显著增加,这些均是极端干旱条件下洪泛区地下水储量减少的主要原因.从年尺度上来说,极端干旱导致洪泛区系统的地下水排泄量增加了1.62×10^(7)m^(3),约是基准年地下水排泄量的14.5倍.鄱阳湖及其洪泛湿地作为整个流域地下水的重要排泄区和生态屏障区,本研究强调了湖泊和地下水文情势响应变化的重要性.

基于一二维耦合模型和水库调度的长江宜宾河段洪水遭遇与淹没分析

【目的】宜宾市地处金沙江与岷江汇合处,且有横江、南广河及其他重要支流汇入,因此洪水遭遇组合复杂,且受金沙江下游向家坝-溪洛渡等梯级水库调度影响明显,其水文水动力计算对下游各城镇河段防洪规划及减灾政策制定具有重要意义。【方法】通过构建一二维水动力学耦合数学模型,采用实测洪水验证的分析方法对长江宜宾河段(含重要支流汇入段)的洪水组合进行分析,选取了1961年、1966年两个典型年并对比有无金沙江下游梯级水库调洪的影响,计算各河段和沿岸城镇100 a、50 a及20 a一遇的洪水淹没。【结果】结果表明:(1)当发生超标洪水时,城区主要洪水漫溢淹没分布在宜宾的安边镇、柏溪街道,翠屏区西郊街道以及岷江菜坝镇飞机坝段。(2)不管是1961典型年(岷江为主要来水)还是1966典型年(金沙江为主要来水),岷江流域均受灾较重;其中西郊街道和大观楼街道的洪水主要受金沙江来水和岷江洪水顶托作用明显;岷江漫溢洪水为宜宾城区外洪的主要来源,岷江是宜宾市的防洪重点。【结论】结合防洪工程分布及现有堤防建设情况,菜坝镇飞机坝片区现有的20 a一遇洪水的堤防无法满足实际防洪标准需求;西郊街道滨江公园和备战码头,由于未形成防洪封闭圈,城区局部地区仍处于不设防状态;柏溪镇堤防防洪标准20 a一遇偏低,黑河(柏树溪)受到金沙江回水影响会造成柏溪镇严重洪灾。金沙江在向家坝水库的调蓄作用下,即使发生100 a或超过50 a一遇超标洪水,中心城区均不超过40 a一遇,宜宾城区受金沙江洪水影响相对较小,受岷江回水影响较大。

引水改善星海湖的水动力-水质特性数值模拟

针对星海湖存在的湖泊水动力不足与水质恶化等水生态问题,通过建立二维水动力-水质模型,选取化学需氧量(COD)为水质指标,计算了12种不同水文特征与引水量工况,分析引用不同黄河水量下湖区水动力和水质指标的变化及空间分布情况。结果表明:引入黄河水能够有效改善星海湖的水动力与水质状况,减小滞水面积,降低COD浓度;在相同水文特征工况中,水质指标COD浓度随着引水量的增加而逐渐降低,且其削减率逐渐提高;在相同引水量工况中,丰水年水质指标COD削减率普遍高于枯水年和平水年;枯水年和平水年引水量分别为1400×10^(4)和700×10^(4) m^(3)时能够达到地表水Ⅲ类水质标准。

17级台风工况下玄武岩纤维大型海洋网箱的水动力特性研究

网箱浮架是我国深水养殖的重要设施装备,其水动力特性直接关系其工作稳定性。文章针对3层桁架式海洋网箱浮架建立有限元模型,采用流固耦合方法对17级台风正面来流条件下的网箱浮架水动力特性展开模拟计算,并对比分析有无网衣时网箱浮架水动力特性的变化规律。结果表明:在台风正面来流的情况下,网箱浮架的饵料舱侧向支撑点、上层步道板连接管迎浪侧和中层承力结构交叉点是应力集中的主要区域;当浮架悬挂网衣结构时,其垂荡距离减小,但纵摇程度加剧,即网衣结构有利于浮架结构在垂直方向上的稳定,但增加其纵摇运动强度;当悬挂网衣结构时,由于浮架在垂直方向上更为稳定,其饵料舱侧向支撑点、上层步道板连接管迎浪侧的最大应力分别降低5.1%和3.2%,中层承力结构交叉点的最大应力变化不明显,而迎浪侧中下层连接管的最大应力降低8.7%。

鄱阳湖水利枢纽工程对鄱阳湖水文水动力影响的模拟

水流情势变化是河湖生态系统演变最主要的驱动力,拟建的鄱阳湖水利枢纽工程对鄱阳湖水文水动力会产生何种影响是一个值得深入研究的问题.本研究基于EFDC模型构建了鄱阳湖水动力的二维模型,并按照规划中的鄱阳湖水利枢纽工程调度方案,通过丰平枯典型年份的情景模拟,探讨了鄱阳湖水利枢纽工程运行调度方案对湖泊水文水动力的可能影响.模拟结果表明:不同情景年型鄱阳湖水利枢纽工程低枯水位生态调节期(12月1日至3月底4月初)中11 m控制水位对该时期湖泊平均水位的抬升程度明显,2010年(丰水年)11 m控制水位对枯水期湖泊平均水位的最大抬升为2.59 m,2000年(平水年)枯水期湖泊的平均水位最大抬升为2.68 m,而2004年(枯水年)枯水期湖泊的平均水位最大抬升为4.35 m.枯水期水位的抬升,使不同年型不同湖区的枯水期平均流速、最大流速和最小流速都有不同程度的减小,其中以入江河道为最,2000年和2010年枯水期平均流速降幅在44%以上,2004年(枯水年)枯水期的平均降速范围在50%以上,而对两大保护区的影响则较小.对流场格局的影响方面,主要表现在有枢纽时由于低枯水期的11 m水位控制,棠荫以北尤其是入江河道的流场与无枢纽时的流场表现出明显的不同;棠荫以南的湖区,当赣江中支和赣江南支的来水较大时,在棠荫附近及松门山以南的湖区会呈现出较大的水面.同时由于枯水期的水位抬升和流速减小,水利枢纽工程对湖泊换水周期的作用明显,不同年型的换水周期都受到不同程度的影响,2004年枢纽控水过程使控水期间的平均换水周期增加了5.6 d,影响程度达26.1%;模型模拟结果可以揭示在目前调度方案下,水利枢纽工程对鄱阳湖水文水动力的影响程度,为进一步定量分析鄱阳湖水利枢纽工程对湖泊水质和生态系统演化及其可能造成的影响提供必要的基础支撑.

松辽盆地增强型地热系统(EGS)地热能开发热-水动力耦合过程

增强型地热系统地热能开发涉及到热和水动力的耦合,对应的温度和压力场时空变化特征是评价地热开发效果的关键问题。基于松辽盆地徐家围子深部地质条件,采用TOUGH2进行了地热能开发过程中裂隙-孔隙介质系统中温度和压力变化的数值模拟,分析了不同埋深水平情况下地热能开发的差别,研究了孔隙基质和裂隙介质的渗透率和孔隙度、岩石导热系数、井径、注入压力、注入温度及裂隙周围基质因素对地热能开发的影响。结果表明:采用定压力开发时生产井抽出控制整个区域的压力分布,压力梯度在注入井区域较大,并随着开发的进行,注入井的注入对压力的影响逐渐增大;温度由注入井到生产井逐渐增大,并随着开发的进行温度降低范围逐渐向生产井扩大;质量和热提取速率随时间逐渐减小。不同埋深位置的模拟结果显示,埋深大的温度相对较高,水的流动性较强,质量和热提取速率较高,压力和温度变化幅度均较大。裂隙系统的渗透率、注入井/生产井压力和注入温度、井径对深部地热开采过程中的压力和温度影响较大,从而影响热的提取效率;而孔隙基质的渗透率和孔隙度、裂隙介质的裂隙度和岩石的热传导系数的影响并不明显。

液力偶合器部分充液流场数值模拟与特性计算

利用CFD平台的滑动网格法与混合模型模拟液力偶合器流场的瞬态流动,得到偶合器内部速度与压力分布。总结了不同充液率下流场结构的变化及两相分布情况。基于速度、压力数值解计算了液力偶合器叶轮转矩,并计算出不同充液率下液力偶合器的原始特性。将性能预测结果与实验进行了对比分析,结果表明,数值模拟计算结果与实验结果吻合较好,基本反映了流道内部流动的基本特征。

浮式垂直轴风机的动力学建模、仿真与实验研究

考虑气动力和水动力的耦合研究浮式垂直轴风机系统的运动响应,将固定式垂直轴风机的气动载荷计算方法进一步推广到海上浮式垂直轴风机的气动载荷计算.考虑阻尼力、波浪力、风载荷、系泊力等,建立了浮式垂直轴风机系统的纵荡-垂荡-纵摇运动方程.考虑动态失速和浮式基础运动,基于双致动盘多流管理论,推导了风机叶片气动载荷计算公式,编制了数值计算程序.以Sandia 17 m风机为例,验证了气动载荷计算程序的正确性.最后进行了模型实验,其中模型的风机为Φ型达里厄垂直轴风机,支撑基础为桁架式Spar型浮式基础,将模型实验结果与数值计算结果进行了对比,验证了耦合计算程序.结果表明,数值计算得到的风机系统的垂荡、纵摇运动的RAO(幅值响应算子)曲线与模型实验结果吻合较好,验证了耦合程序的正确性.然而,由于数值计算与模型实验在运动自由度、阻尼、风载荷等方面存在差别,数值计算结果与模型实验结果仍有一定的差异.

鄂尔多斯盆地深部咸水层二氧化碳地质储存热-水动力-力学(THM)耦合过程数值模拟

注入CO2到深部咸水层(CO2地质储存)被认为是一种直接有效地减少CO2向大气排放的途径。CO2地质储存涉及到热、水动力和力学耦合过程,该耦合过程是预测CO2在储层中的迁移转化、评价储层储存能力和分析潜在风险的关键。基于Terzaghi固结理论,在热-水动力(TH)耦合软件TOUGH2框架中加入了力学模块,形成了新的热-水动力-力学(THM)模拟器。结合鄂尔多斯盆地CO2捕获和储存(CCS)示范工程场地的地质、水文地质条件,采用新的THM模拟器数值分析了CO2注入后地层中的温度、压力、CO2饱和度、位移和有效应力的时空变化特征。结果显示:在井口保持8 MPa和35℃情况下,能够实现10万t/a的CO2注入量;压力上升的范围远远大于CO2运移和温度降低的范围,注入20a后,其最大距离分别达到接近边界10km、620m和100m;位移和应力变化主要与压力变化相关,注入引起最大抬升为0.14m,在注入井附近位置储层中有效应力变化水平方向要大于垂直方向,而在远井位置相反;注入引起井附近有效应力明显减小,从而导致了孔隙度和渗透率的增大,增强了CO2注入能力。

动压型机械密封内流场及性能的流固热耦合

为了分析液体动压型机械密封环变形对间隙液膜特性的影响,基于Workbench平台建立动环-液膜-静环的双向流固热耦合计算模型,对变形后的内流场进行模拟计算,对双向流固热耦合前后内流场的压力、温度以及螺旋槽内速度进行对比分析,并比较了流固热耦合后开启力、摩擦扭矩以及泄漏量的变化.研究结果表明:经过双向流固热耦合计算后,液膜在动环端面附近受压缩,在静环端面附近沿周向呈明显波浪状周期性波动,外径处液膜平均厚度减小、内径处液膜平均厚度增大,液膜厚度最大变化约16.0%;双向流固热耦合前后压力场、温度场分布规律类似,但液膜最高压力明显变大,在文中计算工况下变大约67.0%,液膜最高温度略有变大,螺旋槽根部附近液体流速降低;考虑了流固热耦合变形后,液膜开启力变大,摩擦扭矩略微变大,泄漏量明显变大,且转速越高各密封性能参数的变化越大.

潍河下游地区海咸水入侵动态三维数值模拟分析

文中以潍河下游的莱洲湾南岸地区为研究区 ,阐述了海咸水分布规律。针对海咸水运移过程中的水动力学特征和化学动力学特征 ,推导了水动力化学动力耦合的盐分运移对流弥散方程 ,水动力过程考虑了浓度变化对水流运动的影响 ,化学动力学过程考虑了含水介质表面吸附 (解吸 )作用对盐分运移的影响。采用改进的非线性特征有限元法 ,求解高浓度溶质运移三维模型。计算结果表明 ,该模型更真实地刻画了海咸水入侵系统。通过对海咸水入侵规律进行模拟 ,指出海咸水入侵的根本原因是过量开采地下淡水资源 ,要防止海咸水入侵 ,必须科学开采地下淡水资源。

“威马逊”台风暴潮增水及水动力响应数值模拟

基于河口海岸水动力三维数值计算模型,建立浙江沿海天文潮与风暴潮耦合预报模式。利用该模式,对经过浙江沿海海域的台风"威马逊"进行数值计算,风暴潮增水计算结果与实测值符合较好,误差基本在±20 cm以内。计算增水值与传统的调和分析法所得的增水结果相比,也较为一致。进一步对局部水动力响应的研究发现,风暴潮期间,局部地区从底到表各层水流流速均急剧增大或减小,其值达到了与天文潮流同等的数量级。当水流流向与风向相同或相近时,流速增大,相反时,则流速减小。且台风期间,各层水流流向也随风向发生改变,流态变得更加复杂。

平原河网地区设计暴雨下的洪水计算——以苏州地区为例

对苏州市河网进行了概化,采用Arc GIS的"欧氏分配"等工具进行了集水域和子流域的划分,以MIKE11软件为平台,建立了苏州河网的NAM水文模型和一维水动力模型,率定了水文和水动力参数,实现了水文水动力模型的耦合。计算研究区域200年一遇频率下的设计暴雨量,并推求暴雨过程分配。在此基础上,设置闸站工程的运行方式,对苏州地区200年一遇设计暴雨条件下的洪水演进过程进行模拟预测,并重点分析苏州城市中心区的防洪安全裕度。计算结果表明,在200年一遇设计暴雨条件下,苏州地区闸站工程运行方式设置及其调度原则满足城市中心区的防洪要求。

限矩型液力偶合器气-液两相环流特性仿真预测

限矩型液力偶合器始终工作在部分充液状态下,工作腔内部的工作液体做复杂的气-液两相螺旋环流运动。在不同的载荷工况下,工作液体气-液两相的具体分布形式和环流形态很大程度上决定了偶合器的限矩特性。为了掌握限矩型偶合器内部的气-液两相环流特性,该文以YOXD200偶合器为分析模型,在建立全流道模型的基础上,应用滑移网格瞬态算法,两相流模型采用流体体积法VOF(volume of fluid)模型,对3种典型充液率下的环流形态进行CFD数值模拟分析。数值模拟结果很好地预测了在不同充液率下,随载荷的增加,内部气-液两相流体由小环流向大环流运动的转化过程。该文为实现限矩型液力偶合器转矩跌落工况点的预测及过载能力的估算提供了数值计算的方法和依据。

植被变化对西北地区陆气耦合强度的影响

西北地区地处欧亚大陆腹地,生态系统对于气候变化和人为影响十分敏感,同时该区也是湿润的东亚季风区与干燥的中亚干旱区的过渡区域,陆气相互作用比较强烈.本文对西北地区植被变化对当地的陆气耦合强度及其与之相关的地表水文过程的影响进行了分析研究,并且找出适于增加植被以缓解西北地区荒漠化趋势的最具成效的地区.本文利用美国国家大气科学研究中心（NCAR,National Center for Atmospheric Research）研制的通用大气模式CAM3（Community Atmosphere Model Version 3）对西北地区植被变化的影响进了数值模拟.本文共设计了三个试验,使用正常地表植被覆盖的参考试验,地表下垫面变为裸土的去植被试验和植被增加的生态环境好转试验.首先,本文对西北地区植被变化对于当地降水量、地表水分盈余量、径流量、地表土壤含水量等地表水文变量的影响进行了分析研究.然后对西北地区植被变化对当地的陆气耦合强度的影响进了分析研究,陆气耦合强度是衡量局地陆气相互作用强弱程度的一个新标准,基于计算年降水量与蒸散量的协方差与降水量方差之比而得到.它利用观测数据或模式输出数据,计算起来简便容易,物理意义明确清晰,陆气相互作用越强烈的地区,其陆气耦合强度也越高.最后,本文计算了一个蒸散-水汽通量散度指数来衡量植被变化对局地蒸散与大气水汽通量散度的影响,其在一定程度上反应了植被变化对局地陆气相互作用和大尺度大气环流输送作用的影响,也可以视为一个评估人为生态环境工程效果的指标.西北地区陆气耦合强度由东南向西北递增.去植被之后,西北地区降水与蒸发普遍减少,其中在东南部区域,地表径流增加约10-40mm,渗流量与地表土壤含水量分别减少约40-80mm和5-20mm3·mm-3,陆气耦合强度上升,这有可能导致水土流失,不利于当地植被的恢复.生态环境好转之后,内陆地区降水与蒸发明显增加,但地表盈余水分有所减少,主要原因是蒸散量相较于降水量增加的更多.其中在沙漠戈壁区边缘的新疆南部与内蒙西部,渗流量与地表土壤含水量分别上升约5-20mm和5-20mm3·mm-3,陆气耦合强度降低,蒸散-水汽通量散度指数较高,这可能主要是由于植被变化对局地陆气相互作用的改变而造成的.植被对于西北地区地表水文过程有着明显的影响,植被的存在能加速西北地区地表水文循环过程,减小陆面蒸散的变化,降低陆气耦合强度.在有限的人力与财力条件下,集中力量在在沙漠戈壁区边缘的新疆南部与内蒙西部适当种植灌木与青草并防止过度放牧,能有效降低当地陆气耦合强度,缓解西北地区荒漠化加剧的趋势.本文下一步还需考虑如模式地表植被数据与真实情况的差异性,海洋因素变化对于植被变化的反馈,以及进行集合实验来增加研究结果的可靠性.

基于水动力-力学耦合方法的岩溶塌陷预测

岩溶塌陷是危害性较大的地质灾害之一,预测岩溶塌陷是目前公认的难题。基于Terzaghi固结理论和GMS软件建立了地下水动力学-岩土力学耦合数值模型,并利用该模型对武汉市青菱乡塌陷区的某地块土-岩交界处溶洞塌陷进行了数值模拟分析与预测,分析了地下水位升降及降雨入渗作用对岩溶塌陷的影响。结果表明:地下水位快速升降时,大气降雨加速了土洞破坏,引起地面塌陷的范围最大;孔隙水位、岩溶水位同时下降时,地表沉降的幅度最大。基于地下水流场的力学耦合方法用于典型岩溶工程问题岩溶塌陷的空间预测与定量分析,其预测结果客观可靠,可为同类工程地质问题提供借鉴。

液力耦合器两相流动的研究

应用先进的CFD平台的滑动网格法与混合模型对液力耦合器部分充液的两相流场进行数值模拟计算和分析,得到耦合器部分充液时内部速度和压力分布以及不同充液率下流场结构的变化。基于速度、压力数值解计算了液力耦合器叶轮转矩和不同充液率下液力耦合器的原始特性。将性能预测结果与实验结果进行对比分析,结果表明,数值模拟计算结果与实验结果吻合较好,从而验证了数值模拟方法的正确性。