水动力数值模拟的河控三角洲分支河道演化研究

河控三角洲是一类对油气勘探有重要意义的沉积体系,采用三维水动力数值模拟的方法正演模拟了河控三角洲的形成过程并精确分析了其分支河道的演化规律。利用Delft3D建立了河控三角洲的三维水动力数值模型,根据现代河流与三角洲的水动力特征,设计了其沉积过程的模拟条件。计算域长20.5km,宽10km,在地貌演化系数(Mor-Factor)为60倍的情况下模拟时长4个月,约120d。通过对河控三角洲的模拟分析了河口砂坝的形成与冲蚀,分支河道的延伸、迁移和分叉,通过垂向剖面观察到分支河道的多期次充填。用定量的手段结合分支河道演化特征表明河控三角洲在没有波浪和潮汐作用的静水体中分支河道极其发育,只要空间足够大即可发育无数条的分支河道。研究表明在河控三角洲发育的后期分支河道的交叉切割与改造可形成连片的沉积体,这与在波浪和潮汐改造作用下所形成的连片朵状三角洲在成因机理上不同。该研究结果表明利用水动力数值模拟的方法可以较好地揭示河控三角洲分支河道的演化过程。

高速铁路路基黄土滑移变形的动力数值模拟

以郑(州)-西(安)高速铁路为例,选择典型路段(华阴、潼关、灵宝和偃师等),采集大量原状黄土样品,进行动三轴试验,获得一系列黄土动力学参数,如动弹模、动阻尼、残余应变等,进而建立高速铁路黄土路基动力学数值模型。按该线路地震危险性分析结果,合成8条人工地震波(50年10%和2%的超越概率水平),输入该动力学模型中进行计算。结果表明:黄土路基的横向和纵向变形都随着地震力的增大而增大,从而导致黄土滑移和震陷,这与现场激振试验及动三轴震陷试验结果基本一致。该结果为郑西高速铁路抗震陷和抗滑移设计提供了重要依据,并提出了切实可行的黄土抗震陷和滑移地基处理措施,已应用于该高速铁路的设计与施工中。

海岸河口水动力数值模拟的研究方向

海岸河口水动力数值模拟的发展新动向 :(1)发展高、新、精、细模型 ;(2 )开发多因素过程模拟 ;(3)建立与物模结合的复合模型 ;(4)实现智能型可视化模拟系统 ;(5 )

基于水动力数值模拟的罗源湾水体交换周期及纳潮量计算

为了分析罗源湾水动力特性及流场情况,建立了基于Mike21的罗源湾水动力数学模型,经率定得到模型湾内海域Smagorinsky系数为0.28,糙率为0.024~0.035,风拖曳系数为0.0010~0.0015。利用该模型模拟计算了罗源湾水体交换周期及纳潮量,结果表明:涨落潮时,罗源湾流速在0.20~1.56 m/s,湾口及可门水道水动力条件好,北岸及西北角水动力条件较差,北岸受湾外海域潮波影响程度低于南岸;罗源湾水体半交换周期约为15 d,15 d、30 d、45 d和60 d后罗源湾水体平均交换率分别为48.5%、69.3%、78.8%和85.5%;秋季时罗源湾平均纳潮量为5.73亿m^(3),大潮纳潮量为7.07亿m^(3),小潮纳潮量为4.40亿m^(3)。建议在罗源湾入海污染源通量管控过程中,综合考虑海域自身水动力条件,合理控制罗源湾西北角入海污染物排放量。

基于水动力数值模拟的沙河流域城镇内涝治理研究

基于水动力数值模拟计算,利用MIKE11软件建立一维水动力计算模型,对沙河流域中下游发展中地区博罗县龙溪街道片区河网进行概化模拟,利用该模型模拟水闸泵站、水系联通等工程前后区域河网水位变化情况。结果表明,近、远期规划措施能有效缓解区域排涝压力,可为区域城镇发展过程中城市内涝治理提供科学依据。

长江口太仓岸段险工成因分析——基于水动力数值模拟的研究

长江口太仓港的岸线及水深资源对长三角地区的经济发展具有重要的作用,研究该河段的河道变化特征,特别是险工河段的成因具有重要的意义。通过建立太仓岸段精细水动力模型,分别考虑现状条件(2016年)和不受人类活动影响(1997年)的自然条件下,模拟分析了在不同上游来水条件下的水动力变化特征。模拟结果显示在新泾口和荡茜口附近流速增大明显,动力条件增强,意味着码头前沿河床有快速冲刷的危险,监测结果也显示了上述区域的冲刷险情加剧趋势,对码头安全运行带来严重隐患。由此可知,太仓岸段水流变化特征和险工岸段的分布有密切联系。

含泄水建筑物的复杂缓流河网水动力数值模拟

由于存在回水效应,复杂缓流河网的水动力数值模拟一直是个难题,河网中常存在各种建筑物,这也增加了河网模拟的难度。本文应用JPWSPC(汊点水位预测校正)法来统一处理汊点以及河网中建筑物的连接条件,通过水位预测和校正,使各河道离散方程组封闭并保持系数矩阵的带状特征,物理上相互联系的各河道被数值解耦,同时利用特征线理论使各河道间的连接条件得到满足,文中采用典型的算例对方法进行了验证,计算结果表明JPWSPC方法可以很好地应用于含建筑物的复杂缓流河网水动力模拟。

基于速率-状态摩擦定律的地震二维准动力学数值模拟:浅层正应力变化对断层演化的影响

本文基于结合速率-状态摩擦定律(RSF)的二维准动力学数值模型,以半空间垂直走滑断层为研究对象,通过比较两种正应力随深度变化模型的模拟结果,研究了浅层正应力变化对断层演化参数、地震孕育过程、震后滑移传播等方面的影响.结果显示,我们的数值模型在给定模型参数和约束条件下,能够完整模拟出地震周期中震间、震前、同震以及震后多个特征阶段.常数正应力模型下,动态破裂在浅层速率强化区停止,而在浅层变化正应力模型下动态破裂可以传播至自由表面,导致浅层更高的最大滑移速率和同震滑移量.两种模型下的地震矩、地震周期、平均应力降和震后滑移传播等差别不明显.两种滑移模型的傅氏振幅谱与理论K-2模型傅氏振幅谱均符合较好,且浅层变化正应力模型下的拐角波数值高于常数正应力模型,说明两种模型均符合地震同震滑移模型的运动学特征,并且浅层变化正应力模型下最终应该产生高于常数正应力模型的高频强地面运动水平.我们认为选用不同的模型参数对最终结果存在显著影响,应当根据具体问题来选择模型参数,这样才能在保证结果准确前提下有效提高计算效率.

基于流体动力学数值模拟的海水层反射地震研究

由于多种海水运动同时存在以及地形的影响,海水层结构非常复杂,解释海水层地震相,分析海水运动过程是地震海洋学研究的新方向.本文提出结合流体动力学数值模拟与反射地震正演分析海水层地震相的方法.首先,对地形和流体建模,得到特定条件下流体运动状态;然后用反射地震正演将模拟获得的海水层温盐剖面转换为反射地震数据;进一步和实际测量得到的地震海洋学剖面进行对比,分析地形、海水运动对海水层地震相的影响.以内孤立波浅化过程为例,通过流体动力学数值模拟,获得其浅化过程中出现的下沉型、分裂、转换型三个阶段的海水层剖面;对温盐剖面进行反射地震正演,分析浅化不同阶段海水层反射几何形态、反射结构等特征.这种新方法有望解释复杂地震海洋学图像,深化海底地形对海水运动影响的认识.

地幔热导率的选取对动力学数值模拟的影响——以岩石圈张裂过程为例

目前存在有多种地幔热导率模型,不同模型在数值和随温压变化的特征上有明显的差异.为探究不同热导率模型对动力学数值模拟结果的影响,本文对不同模型下的岩石圈张裂过程进行模拟研究,探讨地幔热导率对岩石圈热传输、变形和熔融过程的影响及其作用机理.结果显示,不同热导率模型下,岩石圈的变形和熔融特征表现出明显差异.高热导率模型下,岩石圈破裂较晚,形成陆缘较为宽阔,地壳熔融强烈而地幔熔融较弱;低热导率模型下,岩石圈破裂较早,形成陆缘较为狭窄,地幔熔融强烈而地壳熔融较弱.这种差异源于不同地幔热导率下岩石圈和地幔热状态的变化及相应力学性质的改变.高热导率下,热传导的增温效应显著,岩石圈呈现较热的状态,其强度整体较低,壳幔耦合减弱;而低热导率下,热对流的增温效应显著,岩石圈呈较冷的状态,其强度整体较高,壳幔耦合增强.基于模拟结果,本文认为地幔热导率的选取对动力学模拟的结果有着较为显著的影响,相对于随温压的变化,热导率数值的差异对动力学数值模拟的结果影响更大,尤其是对于地幔熔融过程的影响.

复杂河网水动力数值模型

利用汊点水位预测-校正(junction-point water stage prediction and correction,JPWSPC)法处理缓流河网汊点处的回流效应,采用Preissmann格式离散Saint-Venant方程组,并采用Newton-Raphson方法求解非线性离散方程,构建了非恒定河网水动力模型。模型既无需特殊的河道编码,又避免了建立和求解总体矩阵。与常用的分级解法模型相比,保留了其既适用于树状又适用于环状河网的优点,同时克服了分级解法需要建立和求解河网总体矩阵的缺点,显著提高了稳定性和计算效率。

高速铁路黄土路堑边坡变形的动力数值分析

以郑西高速铁路客运专线路堑段铁路黄土边坡工程实例为背景,经过适当简化处理,利用数值模拟软件FLAC建立了轨道-路基-黄土边坡系统动力分析计算模型,并对不同列车运行速度下黄土边坡的扰动程度及边坡稳定性进行了分析。结果表明,黄土边坡的扰动程度随列车运行速度的增大而增大,稳定性随列车速度的增大而减小。

旋流-静态微泡浮选柱旋流流场的数值模拟与试验测量

针对旋流-静态微泡浮选柱进行了气-液两相流非稳态数值模拟,分析了旋流单元的流动特征及矿化方式,然后采用2台高速动态摄像机连用的方法,进行了气泡、颗粒在旋流流场下的三维运动轨迹及碰撞行为的测量,得出了与数值模拟相一致的结论。主要结论如下：在旋流单元,气、液两相的流动均以切向运动为主,锥上区域具有向心和向上的趋势,锥内区域具有离心趋势,锥下区域液相旋流向下运动;气、液两相具有轴向和径向速度差,切向速度虽然不具有明显相间速度差,但其在径向上的梯度极高;锥内区域气含率最高,在10%-13%,锥下区域气含率小于1%。旋流单元的分选作用以分离尾矿和分选中等粒级矿物为主,气泡与颗粒的矿化方式体现为绕轴心旋转过程中发生的轴向与径向的＂逆流碰撞＂,锥下区域不具备矿化条件,旋流强度是影响该单元分选和分离效率的重要因素。

轴承滚珠等离子体浸没离子注入过程的数值模拟

利用轴对称PIC模型对轴承滚珠等离子体浸没离子注入(PIII)过程进行了数值模拟,对归一化电势的扩展情况进行了研究。在滚珠批量处理过程中,为了避免相邻滚珠周围鞘层的相互重叠对注入均匀性造成不良影响,对滚珠在靶台上摆放的最小距离进行了数值计算,计算结果表明:在电压为-40kV,氮等离子体密度为4.8×109cm-3,脉冲宽度为10μs时,滚珠摆放的最小距离应大于34.18cm。分析了滚珠圆周方向注入剂量的分布情况,针对静止滚珠改性处理后剂量分布很不均匀的问题,通过旋转靶台使滚珠注入均匀性明显得到改善。利用朗谬尔探针测量了滚珠周围鞘层扩展的情况测量,模拟结果和实验测量结果相吻合,最大相对误差小于8.4%。

漏斗型峡谷桥址区平均风特性的数值模拟

结合某大跨悬索桥所在山区地形,研究了漏斗型峡谷这一特殊构造地形的桥址区平均风特性,为大跨度桥梁在漏斗型峡谷地区的抗风设计提供依据.首先,建立实际地形的数值模型,并利用Fluent软件对24个不同来流工况进行比较分析;然后,将整体模拟结果与实测结果进行对比,验证数值模拟的合理性;最后,通过模拟结果的对比分析,探讨漏斗型峡谷桥位对风速大小、风攻角、风向角在不同来流方向的影响规律,分析平均风速随攻角分布的特点以及不同位置处的竖向风剖面特性.研究结果表明:漏斗型峡谷桥址区存在明显峡谷风加速效应;漏斗型地形对桥址区来流的攻角和风向分别表现为弱扰乱性和高导向性,来流攻角和风向分别稳定集中在-5°~0°和25°~30°;峡谷中风速对攻角变化的敏感性更高.

弹性壁兔颈动脉狭窄模型的建立及切应力数值模拟

目的建立弹性壁兔颈动脉狭窄模型并分析一个心动周期中狭窄动脉内的壁面切应力分布和变化。方法采用显微缝合法建立弹性壁兔颈动脉狭窄模型,多普勒超声和DSA分别测得狭窄血管影像并计算狭窄率,应用计算机流体力学软件Matlab、Ansys、Fluent对狭窄动脉内一个心动周期的血流动力学变化进行可搏动的二维血流动力学数值模拟。结果成功建立弹性壁单侧兔颈动脉狭窄模型并模拟一个心动周期中的切应力(WSS)分布和变化。WSS在收缩中期时最大,在狭窄处及狭窄远心端分别形成高WSS和低WSS区。一个心动周期中狭窄处WSS变化最大,狭窄远心端WSS变化最小。随狭窄率增加,狭窄远心端WSS减小并逐渐趋近于0。结论数值模拟能够较好的反应颈动脉狭窄的WSS分布和变化,为临床提供理论依据。

基于汊点水位预测校正的闸控河网水动力模拟

为弥补汊点水位预测校正法在含闸(泵)河段水力要素模拟中的不足,针对平原河网常见的平底水闸,提出利用闸门水流连续条件,联立闸门过流方程与河道追赶方程以求解含闸河段各水力要素的计算方法,并具体给出堰流、孔流等不同流态的判别方式及其处理方法。通过将联立方程组转化为关于闸上下游水力要素的一元函数方程,推导得到适用牛顿迭代法的不同流态函数系数公式,相关方法可与汊点水位预测校正法求解耦合。经浙江省温黄平原河网实例验证,该方法对内河闸站、排海口门闸站等多类型、复杂调度闸站均可适用,计算水位过程与实测过程拟合良好,并显示具有较高的计算效率和稳定性,可为平原闸站规划、闸群联合优化调度等研究奠定基础。

采空区自燃危险区域数值模拟

为了准确划分采空区自燃危险区域,运用现场采空区热电偶监测和束管检测,得出采空区内进风巷一侧的温度及氧气体积分数的分布规律;采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟技术,利用相似原理建立了不同孔隙率下的采空区三维立体数学模型,并运用灰色关联理论将不同孔隙率下的模拟结果与现场实测数据进行关联性分析。结果表明:当采空区孔隙率为类型2时,与现场的氧气体积分数分布耦合度最高,关联度为0.9000;依据该数值模拟结果的氧气体积分数分布划分了采空区自燃危险区域,该区域为双弧形区域,处于采空区距工作面进风侧30~80 m,回风侧10~40 m处。

生态调节坝对御临河水动力水质影响的模拟研究

御临河生态调节坝在减少三峡库区调度产生的消落区面积的同时,也改变了御临河内的水动力特性和水环境质量,调节坝对御临河水动力水质影响的量化是一个值得研究的问题。基于SWMM和EFDC模型,构建了御临河流域的水文、水动力和水质模型,通过对建坝前后的模拟分析对比,探求了生态调节坝对御临河水动力水质的影响。结果表明:调节坝运行后,御临河流速会受到较大滞缓,且下游段(舒家至调节坝)受影响比上游段(梅溪至舒家)更大;由于流速滞缓作用,枯水期水体会形成较明显的水质分段现象,但在丰水期该现象得到一定改善;建坝后水质指标浓度均有不同程度升高,下游流经建设用地段各水质指标浓度最高,库首段水质建坝前后变化幅度最大。模拟结果可以显示调节坝对御临河水动力和水质的影响,为三峡库区其他支流修建水利枢纽设施对其造成的影响评价提供一定参考。