洪泽湖吞吐流二维数值模拟

吞吐流是湖泊中湖水运动的主要形式之一．它通过水体交换，进而对湖泊污染物质扩散、迁移、泥沙冲淤以及湖水浓度场的变化产生影响．根据洪泽湖的具体特点，本文构造了一个二维开边界数值模式．对洪泽湖吞吐淮河的特征进行数值实验，研究其吞吐流过程．

玄武湖混合流数值模拟研究

本文从二维浅水非恒定流的控制方程组出发,建立了玄武湖混合流水动力数值模式,应用伽辽金(Galerkin)有限元法对数学模型求解。对玄武湖出入流2m3/s流量及5.7m/s均匀定常东北风进行数值模拟验证基础上,研究了出入流2m3/s流量及6m/s均匀定常东风、西风、南风、北风、东南风、西北风六种风情组合作用下的玄武湖混合流特性。结果表明:玄武湖混合流流场受到吞吐流作用影响较弱,受到风作用影响较强,混合流流态表现为湖区若干环流和沿岸流的有机结合;沿岸流流向与风向一致,湖中较深的地方形成逆风流动的补偿流,流向与风向相反;玄武湖混合流场的形态由风向决定,不同方位风场作用形成的稳定混合流流态不同;对峙方向风场形成的混合流流型相似,流向相反。

洪泽湖风生流数值模拟

湖流是湖泊中污染物质扩散、悬浮物沉降及输移等的主要水动力学要素。造成湖水运动的成因机制很复杂，其中风生流是重要形式。本交通过构造一个二维闭边界数值模式，对不同风情下的洪泽湖湖流流态进行模拟研究，探讨其入流较小，沿岸各闸关闭的枯季情况下的风生流特征。

南水北调东线工程双王城水库泵站水流特性试验与数值模拟研究

本文结合南水北调东线工程双王城水库泵站的设计,利用水工模型试验和数值模拟相结合的方法,综合分析了泵站流道内的水流流态、压力分布等重要流场特性。研究表明,模型试验与数值模拟结果能够较好的吻合,数值模拟结果能够对模型试验数据提供补充和完善;入库泵站与出库涵洞组合布置方案在水动力学条件方面可行;原设计方案出库涵洞陡坡段存在负压,水流流态不稳。修改方案将出库涵洞节制闸放置在涵洞末端,可有效地解决负压问题,改善出库水流流态。模型试验及数值模拟结果为工程设计提供了科学的依据。

入海水道二期对洪泽湖地区洪水风险的影响研究

为探究淮河入海水道二期工程对洪泽湖的泄洪能力以及周边滞洪区的影响,在对研究区河网概化及地形处理的基础上,建立了研究区河网一维、洪泽湖湖区与周边滞洪区二维耦合的水动力数值模型,并采用1991,2003,2006,2007四年实测历史洪水资料对模型进行率定及验证。基于现状工况、规划工况以及不同洪水量级,设计了5个对比方案对研究区进行洪水演进数值模拟,对不同洪水量级进行横向对比,对不同工况进行纵向对比,并对不同方案进行淹没面积分析和洪水影响分析。结果表明,入海水道二期工程的启用可以有效降低洪泽湖水位,提高洪泽湖的防洪标准和周边滞洪区的启用标准,减少同等洪水量级下的受影响人口数和区域GDP,为洪泽湖的防洪安全建设以及周边蓄滞洪区的稳定发展创造了条件。

洪泽湖出入河流及湖体氮、磷浓度时空变化(2010-2019年)

基于2010-2019年洪泽湖湖体水质逐月监测数据,筛选出影响湖体水质的主要污染物指标为总氮(TN)和总磷(TP);选取洪泽湖周边25条主要入湖河流和2条出湖河流在2019年10月2020年9月的监测数据,探讨河流外源性输入对不同湖体区域氮磷的影响及其水期变化规律.结果发现:①湖体TN、TP浓度长期居高不下,年均浓度范围分别在1.39~1.86、0.080~0.171 mg/L波动.主要入湖河流TN、TP时空平均浓度(1.92~5.70和0.114~0.181 mg/L),均高于同区域湖体(1.15~1.46和0.088~0.101 mg/L),其中北部入湖河流肖河、马化河和五河与临近湖区TN、TP浓度呈现显著正相关,是影响北部湖体TN、TP浓度的主要河流;南部入湖河流维桥河和高桥河是临近湖区非极端降雨期TN、TP的主要来源.②调水工程对湖体及入湖河流TN、TP浓度分布影响显著,调水期湖体沿调水方向TP浓度逐渐上升,TN浓度则呈现先降后升的趋势,南部入湖河流维桥河和高桥河TN浓度达到水期峰值,分别为10.69和9.90 mg/L.③极端降雨期入湖河流的TN、TP浓度显著高于其它水期,由于湖体对TN、TP的富集作用不同,TP浓度呈现中间高,四周低,而TN浓度呈现沿洪水流向逐渐降低的规律.

大风对洪泽湖泗阳生态岛湖流影响数值模拟研究

为研究大风对洪泽湖泗阳生态岛工程湖流影响,采用MIKE 3建立了洪泽湖三维水动力数学模型。通过实测资料对模型参数率定,验证结果良好,进而研究了不同工况条件下洪泽湖水动力特性及泗阳生态岛工程对其附近湖流动力影响特性。结果表明:洪泽湖湖区流场变化主要受大风影响,风向及水位的变化均能对湖区壅水及湖流结构产生影响。生态岛的填筑将导致湖区出现局部迎流侧流速增大、背流侧流速减小的现象,但对整个湖区湖流及环流结构基本无影响。研究成果可为洪泽湖泗阳生态岛工程安全运行提供技术支撑。

考虑絮凝作用的辐流式二次沉淀池的三维数值模拟

为研究絮凝作用在幅流式二次沉淀池中的变化规律,本次研究采用Ghadiri模型模拟絮团的破碎机理,通过UDF自定义聚集核心相关函数,运用RNG k-ε紊流模型、Mixture混合模型以及考虑速度差、布朗运动和紊动强度的聚合模型,对考虑絮凝作用的辐流式二次沉淀池,在不同的入流速度和入流温度的工况下进行了三维数值模拟。结果表明:絮凝作用对辐流式二次沉淀池的沉淀效率影响显著,高温入流更有利于污泥絮团的生长,入流速度选取在0.02~0.05 m/s之间时更利于提高沉淀池的利用效率。

洪泽湖风生流对风场和水位变化响应特征

深入认识大型湖泊在不同风速、风向和水位下三维风生流结构特征对于湖泊污染控制、生态恢复及资源的开发利用具有重要意义.本文在构建笛卡尔坐标系下洪泽湖三维水动力模型的基础上,利用2次全湖30个点位流场监测数据验证了模型精度.基于1975-2020年长系列风场观测数据,确定了洪泽湖典型风速风向.在此基础上,模拟了16种不同风向,13种不同风速和20种不同水位工况条件下洪泽湖三维风生流结构.结果表明:水动力模型可以较好地刻画洪泽湖三维湖流变化特征.洪泽湖风生流结构随风向变化呈现出较大空间差异.风生流流速随着风速的升高呈加速上升趋势,其中表层水体流速上升幅度远高于其他水层.在2.4 m/s东风驱动下,溧河洼、成子湖和南部湖区垂向平均流速随着水位上升呈先升高后降低的趋势,3个湖区分别在12.7、12.4和12.2 m水位下流速达到最大值.

扩大入江、入海泄量对洪泽湖及其上游淮干水位影响分析

为探究洪泽湖的出湖流量变化对洪泽湖的泄流能力以及淮河中下游水位的影响,建立淮河中下游一维、洪泽湖二维水动力数学模型,通过实测水文资料对模型进行率定及验证。基于数学模型,分析了扩大入江水道以及入海水道泄量对洪泽湖及淮河干流水位的影响。结果表明:提高淮河入江水道泄流能力使其达到设计泄量,能使洪泽湖湖区内各个位置水位有所降低,其中蒋坝水位降幅最大,1991年洪水时下降0.7 m,2003年洪水时下降0.62 m,同时使淮河干流沿程水位均有不同程度的降低,从上游至下游沿程水位降幅呈逐渐增加的趋势。实施淮河入海水道工程对1991年型洪水洪泽湖湖区水位降低效果明显,其中蒋坝水位降幅最大,为0.06 m。淮河入海水道二期工程的启用能够使洪泽湖内水位有明显的降低,其中蒋坝水位降低幅度最大,1991年洪水蒋坝水位降低0.3 m,溧河洼地区以及淮北淮南处降幅比蒋坝小,对淮干入湖河段水位的降幅相对比较小,到吴家渡水位降幅不明显。

前混合水射流喷嘴结构参数及流场数值模拟

应用FLUENT软件,对影响前混合水射流喷丸喷嘴出口10 mm处离散相轴向速度的喷嘴几何参数中圆柱段长度、收敛角和扩散角进行正交试验,并对喷嘴内外流场中连续相和离散相的运动规律进行了系统分析。结果表明:影响离散相在喷嘴出口10 mm处轴向速度的主次因素排序为:圆柱段长度、扩散角、收敛角;连续相和离散相具有相似的运动规律,在内流场,两者轴向速度分为3个加速段和1个减速段;在外流场,核心段连续相轴向速度基本不发生改变,离散相下降缓慢,此段为喷丸最佳靶距范围;此后连续相和离散相轴向速度近似均匀下降,下降速率明显大于核心段。

基于MIKE21模型的普者黑湖水环境数值模拟研究

普者黑湖是云南石漠化地区喀斯特地貌岩溶湖的典型代表。近年来,受渔场养殖、民俗旅游及农业面源污染等影响,湖泊水质污染问题日益凸显,在流域水文水质监测资料十分匮乏的条件下,水环境数值模拟研究对于预防普者黑湖水质污染具有重要意义。基于污染源调查、水质监测与水文数据资料,构建了MIKE21模型的普者黑湖平面二维水动力与水质模型,模拟分析了普者黑湖湖流形态、环流结构及入湖污染物在湖区内迁移扩散状况,揭示普者黑湖水动力特性及入湖污染物的迁移扩散规律。结果表明:(1)普者黑湖整体上自西北向东南呈单一流向明显,环流较多,上游平均流速为0.3~0.7 cm/s,呈现出条带形河流的特征,中游平均流速为0.4~0.9 cm/s,流速较大,中小型环流较多,下游整体呈现湖泊型特征;(2)受入湖河流水质较差、临湖密集村落及农业灌溉退水的影响,普者黑湖水质整体呈现出上游高—中游高—下游稍低的空间分布格局,雨季污染物浓度明显大于旱季的时间变化规律。

基于生态需水优先的洪泽湖水量调控研究

构建水量调控模拟模型,提出生态需水调控方案,为开展流域生态环境保护、水资源合理配置和生态调度提供技术支持。选取淮河流域洪泽湖为研究对象,以濒危鸟类、当地优势鸟类和水生植物为重点保护目标,选择目标型生态需水调控优化模型,评价指标为生态水位保证率、生态水位偏离差、出湖优化调控模型减供水量和调水优化调控模型增调水量。结果表明,通过调控上游入湖水系主要控制工程以改变洪泽湖过境水过程,可显著提升洪泽湖生态水位保障效果,在此基础上增加引调水量6.86亿m^3/a可保障每年水位过程均满足生态水位过程要求,年保证率达100%,生态水位偏离差为0 m。相对于缩减农业供水,增加外调水量可以更好地保障湖泊水位按适宜生态水位运行,后续研究可在现有生态需水调控模型中增加防洪、供水、养殖、航运等目标,建立多目标优化模型。

不同出水方式和处理规模下的水平潜流人工湿地水力学特性

建立两种规模的水平潜流人工湿地模型,依托地下水数值模拟软件,对上进上出和上进下出的水流方式分别进行了模拟。采用虚拟示踪粒子的方法,追踪水流在湿地内的停留时间,从而计算出不同条件下湿地的水力效率,通过水力效率的计算结果分析进出水方式对不同规模湿地的影响程度。研究表明进出水口位置对湿地水力效率的影响程度σ与湿地长深比n有关,n越大,则σ越小,湿地水力学特性受进出水口位置的影响程度越小。因此,在工程应用中调整进出水方式应适度进行,过度优化可能导致工程造价和施工难度的增加。

大型给水泵站进、出水流道数值模拟及优化设计

根据某给水泵站设计参数要求,设计具有相同进、出口尺寸的肘型和簸箕型2种进水流道方案,以及7种不同龟背形式和倒圆弧半径的出水流道方案。数值计算采用压强连接的隐式修正SIMPLEC算法,并结合雷诺平均法的RNGκ-ε模型和壁面函数法。计算结果表明,在相同进、出口尺寸条件下,肘型进水流道的水力损失比簸箕型进水流道小73.7%;有龟背和圆弧的出水流道的水力损失最小。该研究实现了进、出水流道的优化设计。