Kriging水动力学代理模型在水库群优化调度中的应用

为解决传统水动力学模型结合调度模型求解耗时长的难题,使用代理模型模拟水动力学模型以提升求解效率。从金沙江下游—三峡梯级水库调度实际出发,结合水动力学和代理模型相关理论,建立了基于Kriging代理模型的水库群多目标调度模型并采用多目标进化算法对模型进行求解,最后采用投影追踪法对得到的多目标帕累托前沿进行决策。研究结果表明,代理模型的平均模拟误差≤1.5%,能够较为精确地替代原有长耗时水动力学模型并结合调度模型给出具有竞争关系的帕累托前沿及合理的折衷方案,对促进梯级水库综合效益发挥提供理论依据。

喀斯特地区坡耕地径流水动力学特征研究

为研究喀斯特地区坡耕地在不同条件下的水动力学特征,通过野外径流模拟试验分析在不同坡度和不同流量下的细沟径流侵蚀过程,深入研究细沟径流侵蚀过程中的径流水动力学特征。研究结果表明:流速随坡度的增大而上升,但两者相关性不明显;雷诺数(Re)随坡度的增大而减小,弗劳德数(Fr)和阻力系数(f)均随坡度的增大而增加;南明区、青岩和修文的雷诺数(Re)与弗劳德数(Fr)呈显著负相关关系(P<0.01)。研究结果对于认识不同坡度与不同流量下细沟径流侵蚀过程中的径流水动力学特征有重要意义,为喀斯特地区坡耕地土壤侵蚀与防治提供一定参考依据。

坡面片蚀泥沙有机碳组分及^(13)C同位素不均匀富集对水动力学参数的响应

[目的]探究片蚀泥沙轻组有机碳(LF_(OC))和重组有机碳(HF_(OC))不均匀富集的水动力学和碳同位素特征,为正确理解水蚀作用下土壤有机碳库变化提供理论与技术支撑。[方法]以陕西省咸阳市杨凌区土为研究对象,采用改进“三区”移动式变坡钢制土槽,结合人工模拟降雨技术,测定径流水动力学参数和泥沙各粒径团聚体有机碳组成及其δ^(13)C值,并辅以棕壤侵蚀泥沙有机碳δ^(13)C值和水力参数,验证土试验结果的准确性。[结果]①雨强和坡度较小时,侵蚀泥沙LF_(OC)和HF_(OC)易发生富集,且相较黏粉粒和微团聚体,大团聚体LF_(OC)与HF_(OC)含量受雨强和坡度的影响更大;②侵蚀泥沙黏粉粒中有机碳δ^(13)C值与其有机碳活跃分数(λ)呈负相关,而其他粒径团聚体有机碳δ^(13)C值与其λ呈显著正相关(p<0.05);③流速与黏粉粒λ显著正相关(p<0.05),雷诺数与各粒径团聚体有机碳δ^(13)C值均呈显著负相关(p<0.01),片蚀过程中流速越大,黏粉粒中LF_(OC)越易于优先输移,而紊流加剧则促进低δ^(13)C值团聚体有机碳的优先输移;④对于侵蚀泥沙黏粉粒,流速和雷诺数越大,其有机碳δ^(13)C值越小,λ越大;对于微团聚体和大团聚体,雷诺数越小,其有机碳δ^(13)C值与λ越大。[结论]片蚀过程中轻重组有机碳流失与流速和雷诺数密切相关。并进一步验证了^(13)C同位素对侵蚀泥沙有机碳示踪的有效性。

水闸非线性水动力学建模与数值模拟方法研究

水闸在实际工程中的设计和运行涉及复杂的水动力学现象,而传统的数值方法难以捕捉这些动力学特征,尤其是在高宽比流动的情况下。因此,该研究引入了平滑粒子流体动力学(SPH)方法,其采用离散化的方式划分流体体积,并模拟流体的运动。通过SPH方法,建立了水闸非线性水动力学的数学模型,并进行了数值模拟,以更准确地理解水闸开启和关闭时的水动力情况。研究结果表明:采用SPH方法进行水闸非线性水动力学建模与数值模拟是一种有效的方法,有望改进水闸设计和运行的效率和安全性。该研究对于水利工程和水资源管理领域具有实际应用前景和重要价值。

某超高速两栖车辆水动力学特性分析研究

以某超高速两栖车辆为研究对象,其车体采用M型构型,针对其水上高速滑行状态,利用计算流体力学(CFD)开展水动力学特性分析研究,重点对流场、阻力特性、升沉特性、纵倾及其力矩等进行了研究.结果表明,车辆在航速35 km/h左右时阻力达到峰值,在航速50 km/h时完全处于滑行状态,且其升沉和纵倾特性表明,车辆在各航速下能够稳定航行.

淡水河一维-二维耦合水动力学模型构建及应用

对淡水河干流、主要支流、淡澳分洪河采用一维水动力模型建模,对惠阳主城区进行二维水动力模型建模,利用河道两岸进行一维、二维水动力耦合,模拟淡水河溃漫堤洪水演进过程。结果表明:除桥南排涝站到淡水站河段,水面线误差在20cm以上外,其余河段水面线偏差均在20cm以内,一维-二维水动力学模型计算的淡水河的洪水演进过程总体较为合理。研究成果对于流域防洪风险图的绘制具有重要参考价值。

改良楔形叶片旋转空化器水动力学特性数值模拟分析

[目的]旋转空化器是通过高速旋转的叶片在水中产生超空泡来满足不同工程实际应用需求,有必要对叶片形状进行改良设计以提高其工作性能,探究叶型改良对空化器水动力学特性的影响。[方法]首先,针对旋转空化器楔形叶片的原始叶型进行改良设计,建立叶片改型前、后旋转空化器的三维几何模型;然后,基于ANSYS Fluent软件对原始叶型和改良叶型空化器在不同转速下的自然空化流场开展数值仿真计算;最后,根据计算结果对二者的水动力学特性进行对比分析。[结果]结果显示,相比原始叶型,改良叶型产生的空泡除存在于叶片出口边外,还可以存在于副进口边,这两部分的空泡会随着转速的升高而逐渐连接成一个整体,因而改良叶型空化器产生的空泡尺寸更大,产生的自然空化更强;改良叶型在叶根处产生的空化效应较强,而原始叶型在叶尖处产生的空化效应更强;当转速较高时,改良叶型产生的空泡会与旋转空化器装置的四周壁面接触,导致空泡尾部形态沿半径呈直线型变化。[结论]所做研究可为旋转空化器的设计和应用提供重要参考。

空间并联弹簧波能转换装置水动力学研究

针对波浪能转换装置(WEC)能量捕获效率问题,设计了一种含有空间并联弹簧组件的非线性动力输出系统(PTO)。基于牛顿第二定律建立了浮子垂荡运动微分方程,获得给定波浪激励下振荡浮子的运动学规律。基于入口边界法构建三维规则波数值波浪水槽,并进行了波能转换装置流固耦合动力学仿真分析,计算结果同理论模型结果一致。进一步考虑空间并联弹簧的弹性系数、空间几何夹角以及波高、波浪周期等波浪参数对装置波能转换效率的影响,获得PTO系统弹簧刚度系数的优化设计区间以及弹簧空间夹角取值区间。研究结果对非线性波能转换器的设计与优化具有重要的工程意义。

抽水蓄能机组的水动力学与稳定性

随着全球对气候变化的关注不断增加,许多国家纷纷采取行动,以减少碳排放并转向更可持续的能源。目前,在我国的电力系统结构中,火电的比重偏高十分明显,主要依赖煤炭等不可再生能源,这导致碳排放量大幅增加,并对环境造成了严重污染。在这一背景下,我国也提出了实施双碳目标的承诺,即到2030年实现碳达峰,到2060年后实现碳中和。为实现这一目标,中国需要进行能源利用方式的转换,其中抽水蓄能机组的重要性逐渐凸显。

基于水动力学模拟的灌区输配水系统优化调控模式研究

针对新疆建设兵团灌区目前存在的先进田间高效节水新技术对应着低水平、粗放型的运行管理,输配水已不能满足作物在滴灌技术模式下的灌溉需求,作物关键期需水得不到保障,滴灌技术难以发挥应有的效益等问题,以渠道的水动力学模拟为基础,结合特色作物棉花、红枣、玉米等典型农作物所需的滴灌灌溉制度,建立基于输配水系统水动力过程精准模拟的灌区渠道优化调控模型,并采用有限体积法和遗传算法求解。该模型在兵团典型灌区进行了示范应用,结果表明,基于输配水系统水动力过程精准模拟的灌区渠道优化调控模型,能够精准模拟渠道输配水过程,制定的输配水方案高效合理,能够缩短配水时间,减少弃水,保障作物关键期需水。在此基础上,提出了灌区输配水优化调控模式,实际灌溉中可根据灌溉需水情况采取相应的调控模式,为灌区每一次灌溉调控提供依据。

极缓坡黄土坡面片状侵蚀及其水动力学参数特征

随着黄土高原生态文明建设的持续开展,极缓坡耕地成为当地受生产活动影响最显著的区域,其土壤侵蚀规律应得到关注。基于此,采用室内模拟降雨试验,在90 mm/h雨强、两种坡度(2.5°和5°)和两种坡长(5 m和10 m)情况下,对两种土壤(安塞土和绥德土)的片状侵蚀特征及水动力学参数的变化规律进行了研究。结果表明:与安塞土相比,绥德土的产流和径流增加速度快,有较高径流率和含沙量,且易发生细沟。安塞土在径流稳定前的平均径流率和含沙量的变化范围分别为2.76~8.61 L/min和0.80~9.26 g/L,径流稳定后两者的变化范围分别为3.76~11.69 L/min和0.46~2.88 g/L;绥德土径流稳定前后平均径流率和含沙量的范围分别为3.94~12.75 L/min、2.13~10.64 g/L和4.51~15.02 L/min、1.20~4.51 g/L。两种土壤的含沙量与径流率的关系可以用线性递减函数和含沙量作为常数两种线性关系进行表征。雷诺数和径流功率与径流率呈明显稳定的线性递增函数关系;径流流速和弗劳德数随径流率增加有较明显的增加趋势,但波动性较大;径流剪切力随径流率变化表现出很大的离散性。总体上对于片蚀,雷诺数和径流功率是最能用以表征土壤侵蚀的水动力学参数,其次是径流流速和弗劳德数,再者是径流剪切力。研究结果可为优化土壤侵蚀模型参数提供理论参考。

含沙量对高陡边坡径流水动力学特性的影响

[目的]揭示含沙量对高陡边坡水动力学特性的影响,为高陡边坡土壤侵蚀机理模型精度的提升提供理论支撑。[方法]设定3个含沙梯度(0,4%,8%)和3个放水梯度(12,16,20 L/min),在36°坡面进行野外径流冲刷试验。[结果]随着放水流量的增大,平均流速随着含沙量增加而减小的趋势较小,雷诺数Re随着含沙量增加而减小的趋势较明显;当放水流量为16,20 L/min时,随着含沙量的增加,坡面流态均由紊流向过渡流发展;弗汝德数Fr随着含沙量的增加而增大,且均大于1,坡面径流流态属于急流。阻力系数f与雷诺数Re呈极显著幂函数关系(p<0.01),随着含沙量的增加,雷诺数Re对阻力系数f的影响逐渐减弱。含沙量与平均流速、雷诺数、阻力系数、水流剪切力和水流功率呈极显著负相关关系(p<0.01),相关系数绝对值大小顺序为R(Re)>R(ω)>R(τ)>R(ν)>R(f),雷诺数Re是描述水动力学参数与含沙量关系的最佳参数,含沙量与弗汝德数Fr关系不显著,与雷诺数、水流功率、水流剪切力以及流速间的关系可用二元线性函数表示。[结论]含沙量对高陡边坡水动力学特性具有较大影响,未来应增加坡长、坡度、流体性质等变量进一步研究含沙量与坡面水动力学参数之间的关系,为高陡边坡土壤侵蚀机理模型的建立奠定理论基础。

基于吸水动力学方法的水溶性渗透结晶材料吸收饱和度及养护时间优化研究

以水利工程中常用的C25混凝土为研究对象,采用吸水动力学方法试验研究了混凝土对水溶性渗透结晶(WCCW)材料的吸收特性,并分析了WCCW材料吸收饱和度及养护时间对混凝土吸水率、吸水动力学参数的影响。结果表明:混凝土对WCCW材料的吸收遵循吸水动力学规律,2 h内吸收饱和度的增加速度较快,8 h的吸收饱和度可达94%;随着WCCW材料吸收饱和度的增加或养护时间的延长,混凝土饱和吸水率降低,而吸水动力学参数α减小,参数λ增加。吸水动力学参数与WCCW材料吸收饱和度、养护时间之间存在幂函数关系;优化的WCCW材料吸收饱和度为60%时经济性较好,并且混凝土吸收WCCW材料8 h后可初次养护,比较合理的养护时间是7 d,过短的养护时间难以保证作用效果。

坡面植被格局对径流水动力学特性的影响

通过分析不同植被格局下的径流水动力学特性,并建立其与泥沙连通性指数和坡面侵蚀量的定量关系,可揭示植被格局对侵蚀产沙的影响机理,对于生态脆弱区植被优化布局具有重要意义。采用人工模拟降雨试验,设置不同坡度(5°、15°和25°)和植被格局(裸地、带状横坡、带状顺坡、块状镶嵌、点状均匀)坡面,并持续监测坡面径流量、产沙量和断面流速,结果表明:平均径流流速按裸地、带状顺坡、点状均匀、块状镶嵌和带状横坡的顺序递减,平均阻力系数则按带状顺坡、裸地、点状均匀、带状横坡、块状镶嵌的顺序递增,总体上块状镶嵌格局减缓流速作用更强;随汇流路径长度和连通性的增加,径流流速和单位水流功率增大,阻力系数减小;坡面侵蚀量与单位水流功率、径流剪切力间的关系受植被格局的影响,坡面侵蚀量与径流流速间的关系基本不受平均汇流路径长度指数和连通性指数的影响,坡面侵蚀量与阻力系数间的关系基本不受平均汇流路径长度指数的影响,而径流流速由于可作为单一变量模拟不同植被格局坡面的侵蚀产沙,且决定系数(R^(2))高达0.84,因此成为最优的预报评价参数。

2种矢量推进器的水动力学性能对比研究

传统的水下自主潜航器(AUV)一般采用舵装置控制航向,舵的存在会造成一定的尾流干扰,影响推进器的效能,增大推进器的振动与噪声。为解决该问题,提出2种全新的矢量推进器方案,并采用计算流体力学方法(CFD)对2种矢量推进器在不同偏转角下的水动力学性能进行了对比研究。研究结果表明:随着偏转角的增大,2种推进器的正向推力系数逐渐降低,而侧向推力系数逐渐增大。方案2的扭矩系数与推力系数的变化趋势相同,但方案1的扭矩系数的变化趋势正好相反。方案1的尾流场扰动相比方案2更为剧烈,其桨叶也将承受更高的压力梯度和水动力不平衡载荷的影响。在直航模式和低偏转模式下,方案1比方案2具有更高的侧向推力和更低的扭矩,在高偏转模式下,方案2比方案1具有更高的侧向推力及更低的扭矩。研究成果为矢量推进器的优化设计及工程应用提供了一定的参考依据。

基于水动力学模型的渠道流量控制系统研究

针对渠道流量较大、水流条件复杂的流量测量问题,提出一种水动力学模型的渠道流量计算方法,并以此搭建基于水动力学模型的渠道流量控制系统。首先建立水动力学数学模型,采用两点水位量水法计算渠道流量,即在闸门上、下游选择两个断面,利用水位传感器实时测量断面水位数据,通过上位机求解水流控制方程得到两处断面的流量,取均值作为渠道的流量值,其次结合PLC搭建渠道流量控制系统,根据调度要求控制闸门的启闭,实现渠道流量的精准控制。在加大供水流量、水流条件复杂条件下,流量计算结果与多声道超声波流量计所测数据相比,平均偏差率小于5%。通过试验研究表明:控制系统流量控制误差为0.514%,系统响应时间小于200 ms,平均无故障运行时间大于10 000 h。控制系统的研究为后续渠道流量调度工程建设提供理论依据和案例支撑,具有较强的应用价值。

CFD技术在桥梁水动力学课程教学中的应用

在国家大力建设跨越江、海桥梁工程的背景下,桥梁水动力学作为影响结构设计的关键内容,其课程教学显得尤为关键。然而,因为水动力学与传统结构分析差异较大,理论推导过程复杂,导致其教学过程较为抽象、理解较为困难。结合当前桥梁水动力学课程教学现状,提出将CFD仿真技术作为辅助教学方法引入到课程教学中,以帮助学生深入理解桥梁水动力学的概念和公式。利用CFD仿真技术的图形显示功能,描述了水流、波浪等对桥梁下部结构的荷载作用以及基础冲刷演变过程,生动地向学生展示文字难以描述的水动力作用现象,进而使得学生对该部分理论知识的理解更为深刻。

仿生机器鱼胸尾鳍联动水动力学性能分析

针对尾鳍摆动仿生机器鱼游动迟缓、姿态不稳定的问题,文中提出一种胸尾鳍联动的仿生机器鱼,实现了仿生机器鱼外部轮廓、内部布局设计,提出了仿生机器鱼运动控制系统,为仿真和实验提供硬件基础;改进了仿生机器鱼运动学模型,提出了水动力学仿真中鱼体轮廓改变的运动函数;基于仿生机器鱼游动水动力学仿真分析,得到最优运动参数以及最优运动参数下的应力、流速、涡情况;采用仿真最优胸尾鳍运动幅度结果,改变胸尾鳍运动频率,设计实验研究了仿生机器鱼游动水动力学性能。仿真结果表明,以尾鳍摆动幅度72 mm、胸鳍转动角度水平正负45°、胸尾鳍运动频率均为3 Hz等运动参数进行仿真,无胸鳍辅助游动的推进力为2 N,有胸鳍辅助游动的推进力为2.6 N;实验分析结果表明,以最佳运动参数实验,无胸鳍辅助游动的推进力为1.57 N,有胸鳍辅助游动的推进力为2.57 N。仿真和实验均说明,有胸鳍辅助鱼体游动的推进力更大。

喀斯特槽谷区不同岩石与坡面夹角下集中流侵蚀水动力学特征

喀斯特槽谷区地表出露岩石与坡面成不同夹角显著改变地表集中水流特性,进而影响地表侵蚀过程。目前,不同岩石与坡面夹角下的坡面集中流侵蚀水动力特征动态变化过程还不清楚。通过室内模拟放水冲刷试验,研究了6个岩石与坡面夹角角度(30°、60°、90°、120°、150°、180°)、3个坡度(10°、15°、20°)、3个流量(5、7.5、10 L·min^(–1))组合条件下喀斯特槽谷区坡面土壤侵蚀率与水动力学变化过程。结果表明:在各岩石与坡面夹角下,随冲刷历时的推延,土壤侵蚀率(E)先波动性减小后逐渐趋于稳定,水流功率(ω)呈波动变化但趋势不明显,单位水流功率(Up)逐渐减小,水流剪切力(τ)和过水断面单位能量(ε)波动性逐渐增大;夹角150°时平均土壤侵蚀率(0.078 kg·m^(–2)·s^(–1))最大,随着夹角增大,τ、ω和ε均呈先减小后增大,Up整体呈减小的变化趋势,各夹角下水动力学指标间差异均显著(P<0.05);E、τ、ω和Up随坡度和流量的增大而增大,ε随流量增大而增大,随坡度变化不明显;试验条件下,E与τ(R^(2)=0.603)、ω(R^(2)=0.600)和Up(R2=0.583)间的关系用幂函数方程描述较好,与ε间的关系则用线性方程描述较好(R2=0.294);相比而言,水流剪切力可更好地描述喀斯特槽谷区不同岩石与坡面夹角坡面的土壤侵蚀率。研究结果为揭示喀斯特槽谷区不同岩石与坡面夹角下坡面集中水流侵蚀水动力学机制提供了理论依据。

暴雨山洪水动力学模拟研究进展

暴雨山洪灾害突发性强、破坏性大、预测难度高,其预报是水文学及水动力学面临的重大科学问题。深入理解暴雨山洪响应机理是准确预测山洪灾害的关键。暴雨山洪通常发生在资料较为匮乏的小流域,给适用于较大流域的水文模型应用带来了挑战;而暴雨山洪完整水动力学方法对历史资料需求低,充分考虑了暴雨山洪形成与演化的物理机制,能够准确地描述降雨-产汇流-沟道洪水演进的全过程,减小了暴雨山洪预报的不确定性。首先比较了应用水文学方法和水动力学方法模拟暴雨山洪的优缺点;其次,详细梳理了暴雨山洪水动力学模拟的关键技术,特别是结合暴雨山洪非规则坡面流动的特点,总结概括了浅水动力学控制方程离散中的地形源项和阻力源项处理方法;系统探究了暴雨山洪水动力学关键物理影响因子(降雨、下渗、阻力等)作用规律及其定量化方法;最后,展望了暴雨山洪水动力学模型精度、计算效率、应用领域等发展方向。