THREE-DIMENSIONAL MATHEMATICAL MODEL AND ITS APPLICATION IN THE NEIGHBORHOOD OF THE THREE GORGES RESERVOIR DAM IN THE YANGTZE RIVER

The calculation of flow and sediment transport is one of the most important tasks in river engineering. The task is particularly difficult because a number of complex physical phenomena should be accounted for more realistically in a model with a predictive power. Three-dimensional calculations of river flow and suspended sediment transport are performed in this paper with application in the Three Gorges Reservoir in the Yangtze River. A period of 76 years after the dam is built is simulated and the results are compared with laboratory measurements obtained by Tsinghua University whereby the model is verified and calibrated. Generally speaking, the calculated results agree well with the experiments, demonstrating that the present model can be used for flow and sediment transport prediction in rivers.

河道疏浚工程一维、二维数值模拟比较研究

该文通过建立某河道疏浚工程河段平面一维、二维水动力数学模型,对水位进行数值模拟,进而对疏浚前后水位、流速结果进行比较分析。

唐山丰南涧河口取水工程取水前池泥沙淤积数模研究

取水前池泥沙淤积和取水口含沙量是近海钢厂、电厂取排水工程重点关注的问题。以唐山丰南涧河口取水工程为例,建立了工程海域的三维潮流泥沙数学模型,在模型验证的基础上研究了工程区附近潮流、泥沙运动及取水前池泥沙淤积情况。研究结果表明,取水前池淤积与取水工程海域潮流运动、波浪、河道上游径流量等有密切关系。研究成果可为该取水工程设计提供参考。

汛期调度运行方式对径流式水电站防沙排沙条件的影响——以桐子林水电站为例

坝前防沙条件、排沙效率是影响径流式水电站使用寿命及厂房发电安全的重要因素。为研究径流式水电站在汛期采取不同调度运行方式对电站汛期排沙、防沙效果的影响,通过非工程措施改善坝前排沙、防沙条件,采用FLOW-3D数值模拟软件建立三维水沙数值模型,模拟了桐子林水电站在不同坝前来流情况下,采取不同的调度运行方案时,电站取水前池的流速、流态和泥沙输移情况。结果表明:不同的调度方案可改变坝前水动力轴线、推移质输移带走向,因此在满足电站安全运行的前提下,采取合理的调度运行方式可使电站防沙效果取得最佳;汛期电站排沙以集中开启泄洪闸排沙为宜;坝前来流较大时电站需开启冲沙底孔,关闭发电机组以保证生产安全。

小市航运枢纽工程库区泥沙淤积及回水分析

小市枢纽为沱江流域最后一梯级。依据李家湾(富顺)水文站泥沙资料进行库区泥沙淤积分析计算,基于现有资料进行河床演变分析并对淤积成因进行研究,采用一维水动力计算模型分别计算受长江顶托和不受顶托两种工况的建库前后水面线。结果表明,个别断面淤积现象较严重;河槽有冲有淤,整体形态基本稳定;受顶托工况下的水面比降明显小于天然情况下的水面比降,受洪水顶托的影响在坝前明显比库尾小。

水动力条件下底泥中氮磷释放通量

在环形水槽内模拟了水动力条件下底泥的起动规律,分析了底泥运动的不同状态该环形水槽内水体流速基本均匀,水槽转速与槽内水体流速能够精确的相互转换,实验中通过改变水槽转速模拟了不同扰动强度下底泥悬浮和释放的规律.以太湖底泥为例,通过上覆水中TN、TP浓度的变化,建立了底泥中TN、TP的释放通量(y)与水流(x)的关系,其表达式为TN:y=137.88e0.06x,(R2=0.94);TP:y=36.78e0.56x(R2=0.97);并将该实验结果应用在太湖的水量水质模型中,取得了比较满意的效果.

冰湖溃决洪水的二维水动力学数值模拟

为分析冰湖溃决洪水过程,建立了一个二维非恒定流数值模型,可以定量的开展冰湖溃决洪水预测.数值模型的基本控制方程采用二维浅水水流方程,数值方法采用可以捕捉激波的WAF TVD二阶精度格式,并用非界面追踪的方法处理干湿边界.通过理想情况下一维解析解的验证和二维复杂地形情况的数值试验,证明数值模型具有较好的精度和可靠性,并且可以适应复杂地形.将数值模型应用于一个典型的冰湖溃决事件,定量地预估了该冰湖溃决洪水过程,结果表明:水流流速很高,床面剪切应力很大,可能诱发活跃的泥沙运动,形成泥石流灾害.

平面二维水流泥沙数值模拟

基于三角形网格划分,采用有限元方法,建立了河道平面二维水流泥沙数学模型。采用质量集中的简化处理和预估校正的时间推进算法,较好地解决了有限元计算存储量和计算速度问题。以空腔流和突扩段两种情况为例对模型进行了检验计算,结果表明,模型能较好地模拟河道水流泥沙运动及河床变形情况,且计算稳定性好、速度快、精度较高。

黄骅港海域三维流场数值模拟

利用三维潮流数学模型模拟黄骅港附近海域的流场,分析了黄骅港建港前后海域潮流场的主要变化,以及建筑物引起的沿堤流和口门横流及其对泥沙运动的作用.在NE向8级风作用下,黄骅港附近海域水流的垂向流速变化非常显著,对泥沙输移起重要作用.

北本水电站下引航道泥沙冲淤数值模拟

针对北本水电站下引航道泥沙淤积问题,采用平面二维泥沙数学模型进行了数值模拟,得到了下引航道特别是口门区5年淤积过程。在此基础上,讨论了航道冲沙闸冲沙流量和冲沙时机,提出了改善航道冲沙闸冲沙效果的措施。建议冲沙时机选择在流量较小的时候,为减少电能损失,下引航道拉沙可以选择在深夜负荷处在低谷的时候进行。

小浪底水库三维水沙数学模型初步研究

采用基于交错网格的有限体积法,对转换得到的贴体坐标系下的三维动量方程和k-ε方程进行了离散,采用SIMPLE-C方法对速度场和压力场进行了耦合求解,并通过求解基于二维水深方程的Poisson方程来确定自由面,固体边界则采用壁面函数法处理。三维方腔流的计算结果表明,模型有着良好的稳定性,且精度可以满足要求。

高含沙水流的紊动粘性系数研究及其应用

基于张红武的“紊流涡团模式”和采用高精度的流速垂向分布表达式,建立起高含沙水流的紊动粘性系数计算公式。应用此公式计算泥沙连续性方程中的泥沙扩散系数,得到了与测试资料相符合的含沙量垂线分布规律;进一步,将建立起的紊动粘性系数计算公式应用于黄河下游平面二维泥沙数学模型中,以封闭水沙控制方程,并选择1982年洪水和花园口至夹河滩河段开展数值仿真,计算出的洪水流量过程、水位过程及主流线等与实测资料基本一致。应用结果表明本研究中所建立的紊动粘性系数计算公式可用于高含沙水流的理论分析和模拟计算中。

横向规则波作用下的船舶倾覆

运用安全池理论研究了某近海干货船在横向规则波作用下的船舶倾覆问题。用阿当姆斯预估—校正法数值求解时域内单自由度非线性横摇方程。采用三维格林积分方程法计算水动力系数的频域特性。分析了非线性横摇方程中势流阻尼、非线性阻尼以及在横向规则波作用下波高和频率对安全池的影响。

一维坡面土壤侵蚀数学模型研究

依据水沙运动过程的力学机理,将坡面水文模型和侵蚀产沙模型嵌套,构建了一维坡面侵蚀产沙数学模型,模型的水文模块涵盖了植被截留、蒸散发、入渗、地下水和地表水运动过程,侵蚀产沙模块则模拟了雨滴溅蚀、坡面流侵蚀以及坡面径流的输沙过程。利用径流小区径流和泥沙实测资料对模型进行检验,结果表明:水文模块的模拟精度较高,侵蚀产沙模块也能合理地计算坡面产沙量,整体效果较好。

澜沧江乌弄龙水库泥沙淤积及排沙运行方式

由于乌弄龙电站上游梯级水库未如期开发,乌弄龙水电站入库沙量较设计时明显增加,淤积床面抬高,回水淹没范围增大。为保证水库运行安全,充分发挥电站效益,结合上游梯级建设时序变化的情况,拟定不同汛期排沙水位,采用泥沙冲淤数值模型,计算各排沙水位方案的水库泥沙淤积及回水,对水库淹没范围以及发电量进行影响分析,综合比选,推荐合适的排沙运行水位,为电站建成后的运行方式提供依据。

梯级电站建设对水质的影响

采用一维水动力数学模型和水质数学模型,对梯级电站建设前后的CJ江干、支流的水质变化进行研究,预测CJ江2020年5个梯级电站建设后干流水质主要参数的变化情况。结果表明,各梯级电站水库蓄水后各坝址处平均DO质量浓度将较建库前略有下降,BOD5和NH3-N的质量浓度呈下降趋势,TP质量浓度变化较小。

一维河网泥沙输移模式研究

推导了一种显式的河网泥沙输移递推计算方法,该方法在水动力学计算结果所确定的汊点类型基础上,直接计算每个河段中逐个节点的不平衡泥沙输沙过程以及悬沙和床沙的级配调整,克服了传统方法中必须通过首末断面含沙量关系确定河网悬沙矩阵求解的困难.将该泥沙输移模式的一维河网水沙数学模型,应用于长江三峡下游荆江-洞庭湖河网区域,并取得了较好的计算结果.在模型验证之后,进一步讨论了采用新的泥沙输移计算模式和原有泥沙输移计算模式在计算时间上和计算内容方面的差别.

采用拦沙坝防护的浅基桥墩局部冲坑三维流场数值模拟

采用数值模拟的方法,针对典型工程,对桥墩周围河床局部冲刷的三维流场进行了研究。通过将数值模拟所得流速场和物理模型中用ADV流速仪在实体模型中的量测结果进行对比和相互验证,结果较为吻合,同时分析了流场分布及不同方向流速对冲坑形成的作用。本文所采用的桥墩局部冲刷流场数值模拟计算方法对于深入研究桥墩局部冲刷及复杂边界流场理论具有一定的参考价值,所得流速场分布结果为浅基桥梁工程防护设计提供了参考依据。

垂向二维悬沙输移有限元数学模型

采用四节点任意四边形等参单元,根据G a lerk in有限元法进行数值离散,建立了潮汐河口沿宽度积分平均的垂向二维泥沙数学模型。模型中,对扩散项通过分步积分和G reen公式变换,精确满足了自由表面和底床边界条件;经采用有解析解的算例对模型进行验证,计算值和理论解相吻合。

黄河大柳树河段河床演变的三维数值模拟

针对河岸冲刷、河床演变显著的河流,建立考虑河岸变形的三维水沙数值模型,对黄河大柳树河段的河势演变进行数值模拟分析研究。模型中利用三角形网格和局部网格移动及局部加密技术,采用有限体积法离散控制方程,以及基于非结构化同位网格中的SIMPLE算法进行数值求解。依据2011年11月至2012年10月黄河大柳树河段典型断面实测资料对数值模拟结果进行验证,模拟结果与实测结果吻合较好。结果表明该模型能够较好地模拟黄河大柳树河段的水流运动和河床演变,模型中提出的河岸修正技术和局部网格加密技术可有效提高模拟计算精度和效率。