高坝泄洪水面曲面及流速场的原型测量方法

构建了基于双高速摄像机的立体摄影测量与大范围PIV测量系统,实现了对高坝泄洪的水面曲面和流速场的原型观测.摄影测量系统将相机内外参数分开标定,既保证了相机标定精度,又减少了布置标定点的工作量;使用SIFT关键点标识法提取不同照片中水流表面流动纹理的特征点.大范围PIV系统中,使用灰度标准化、背景移除、中值滤波等方法提取水流表面流动纹理作为PIV计算的示踪物,解决了原型观测中释放示踪物的难题.根据重构出的水面曲面形态对大范围PIV所得流场进行尺度换算与水面贴合,得到真实的表面流场.在向家坝消力池运用实例表明,本方法的计算结果合理.     

冲刷漏斗纵剖面形态数值模拟技术研究

提出σ坐标系垂向分层的优化方法,较好地解决了传统σ坐标变换用于底孔泄流数值模拟时存在网格边界变化的问题;采用一维水流模型为立面二维模型提供自由水面边界,即"动刚盖法"确定自由表面;根据坝前趋孔水流的流动特性和水下纵坡稳定性受力分析,分别导出σ坐标系下床面泥沙边界条件和底孔泄流初期河床滑塌的判别式。在此基础上建立底孔泄流条件下立面二维水流泥沙数学模型,并将之应用于有刚性护坦条件下冲刷漏斗形成的数值模拟。模拟结果表明,漏斗冲刷平段长度、漏斗纵坡等数值试验结果与水槽试验基本一致,验证了模型的合理性和可靠性。     

明渠收缩过渡段流速分布及紊动特性试验

受地形、地质等条件影响,明渠收缩过渡段在输水工程中十分常见,过渡段长度过短,会导致水面波动,水体紊动加剧。为研究明渠不同长度过渡段内纵向时均流速及紊动强度的分布规律,通过室内模型试验,利用二维电磁流速仪ACM2-RS测量了渠道内沿程中垂线不同深度处瞬时流速。试验结果表明:收缩段内,纵向时均流速沿程增加,紊动强度沿程降低,遵循涡旋的拉伸机制和线性扭曲理论;受二次流影响,最大流速位于水面以下,且最大流速的位置随二次流作用的增强而降低;不同长度过渡段对下游纵向流速分布和紊动强度影响不同,过渡段越短,下游水流紊动越强,但非渠底附近紊动强度沿垂向先减后增的规律不变。     

流动环境中二维铅垂纯射流的试验研究

对均匀流动环境中的铅直二维射流进行了试验研究,得到了流动转变的条件.采用超声多普勒流速仪(ADV)对射流流场进行了测量,得到了流速矢量图和流线图,发现在射流的迎流面存在流线跌落现象.探讨了流速比对射流背流面涡心和分离点位置的影响.给出低流速比为8的射流流场的实测结果,以供数值模拟对比使用.     

明渠弯道水流平均运动规律试验研究

利用高频粒子图像测速PIV(Particle Image Velocimetry)系统对明渠弯道水流进行了测量,在两种不同试验方式的配合下,不仅提供了大量高精度的平面二维流场数据,还成功重构了弯道水流的三维平均流速场,为深入研究弯道水流复杂的时均流动结构提供了试验依据。试验结果表明,由于弯道曲率不连续,水流主流区在弯道入口位于凸岸附近,随后在离心力的作用下逐渐转移至凹岸,并一直维持至弯道出口;凹岸顶托及环流运动导致不同横向位置处的纵向流速剖面近床面区域速度梯度及最大流速的位置沿程发生改变;弯道曲率越大,最大水深平均纵向流速转移至靠近凹岸一侧的位置离弯道入口越远;受上游直段二次流的影响,环流运动在弯道入口断面呈三涡结构,随后快速衰减为双涡结构;弯道主环流的强度沿程先增加后减小,涡核位置沿程往复摆动。     

石梁河水库消力池强紊动水流的数值模拟

采用半隐式的控制体积法离散紊流控制方程,考虑曲率修正的双方程紊流模型封闭雷诺应力,引入通度和体积函数的概念,数值模拟了石梁河水库工程改建后两级消力池的泄流过程.计算结果给出了自由表面的演变过程及其相互碰撞、重叠的消力池水流特征,断面流速、压力分布及自由水面位置与物理模型试验结果吻合良好.     

傍河水源地地下水资源评价方法述评

当前傍河水源地地下水资源评价的方法主要是水动力学方法和地下水管理模型,包括平面二维流模式、饱和三维流模式、饱和-非饱和流模式以及以这些水流模式为基础的地下水管理模型,其中以完整河流假设的平面二维流模式和非完整河流(实际河流)的三维流模式应用较为广泛。但平面二维流模式计算的开采量偏大,容易引起不良的环境影响,应推行使用饱和三维流甚或饱和-非饱和流模式预测傍河水源地地下水开采量。     

河口海域SDZY水质预测模型的研究及应用

根据弱混合型河口海域的水流条件及边界条件,针对温热排水污染源,从物理机制入手,提出了三维 多层二维平面综合预测模型,对排污口区域,用三维模型考虑了垂直方向的流动及流场的梯度变化,同时考虑了垂直方向的热量交换和温度场的梯度变化,对远离排污口区域,用多层平面二维模型,考虑各层的流速场和温度场的梯度变化。通过对实际河口海域流场和温度场的模拟计算,模型具有较高的精度和实用价值。     

雨水口堵塞程度对其泄流能力影响的试验研究

雨水口是下泄地表径流的关键设施,一旦堵塞将导致市政排水系统的泄流能力无法充分发挥,这是引发城市洪涝灾害的主要原因之一。为定量分析雨水口堵塞对其泄流能力的影响,本研究分别考虑进水篦及连接管不同堵塞程度的情况,开展了较大来流水深下的概化水槽试验,共计进行了608组试验。试验结果表明:①进水篦及连接管堵塞均会显著影响雨水口的泄流能力,且后者对雨水口泄流能力的影响更大。②利用试验数据率定了各堵塞情况下水流以堰流或管嘴流形式从雨水口下泄时的流量系数;基于量纲分析及回归分析,给出了各堵塞情况下雨水口泄流能力的幂函数表达式,并利用试验数据对参数进行了率定,率定效果优于堰流或管嘴流公式。③通过与未堵塞情况进行比较,基于幂指数均值假定及非线性拟合方法,建立堵塞系数与堵塞程度之间的经验关系,并最终提出了一个可以分别考虑进水篦与连接管堵塞影响的雨水口泄流能力公式;该公式可以考虑雨水口堰流及管嘴流等不同泄流形式,能够反映进水篦、连接管不同堵塞程度的影响,适用于来流水深较大的情况。     

基于勘探剖面的三维地质模型快速构建及不确定性分析

针对传统勘探剖面构模人工干预较多、模型精确性有待提高等问题,研究了一种智能化与人机交互相结合的三维地质模型快速构建方法,并结合该方法对控制模型不确定性的主要因素及约束方法进行了分析。该方法以面向勘探剖面的三维地质模型构建工作流程为主线,通过优化提升各环节自动化、智能化工作程度以提高三维地质模型构建的速度与精度。基于该方法研发的软件功能模块能较好地实现勘探剖面二维平面快速编图及剖面边界三维空间动态重构,进而基于三维勘探剖面实现面向用户自定义属性约束的地质界线动态提取和三维地质模型快速构建。经实际应用检验表明,该方法不仅能有效提高三维地质模型构建的效率和精度,而且对模型几何形态的不确定性程度具有较好的约束控制作用。     

堰槽组合设施测流机制试验研究

山区季节性溪流流量变化大,已有灌溉渠道量水设施难以在较大流量范围内均达到测流精度要求,本文以克伦普堰和排淤量水槽组合而成的堰槽组合量水设施为试验对象,通过试验探究其测流机制。根据流量在5~79 L/s范围内的概化水槽水力性能试验,分析不同流量下的水面线、弗劳德数、垂线纵向时均流速、薄水层特征长度和特征宽度的变化,建立不同流量阈值范围内的测流公式。结果表明:①随流量的增大,堰槽组合设施流动形态从槽内流变为堰流,流量阈值对应的阈值相对水深为0.885,拟合得到组合设施槽内流和堰流的测流公式,与实测流量对比,相对误差小于3%。②组合设施槽内流和堰流水力特性不同,槽内流时槽内各测点纵向时均流速、薄水层的特征长度和特征宽度以及综合流量系数均随着流量增大而增大;堰流时,排淤量水槽槽内前段各测点纵向时均流速随着流量增大而减小,后段各测点纵向时均流速随着流量增大而增大,槽内收缩扭面段中部附近断面平均流速大小一致。③堰槽组合流量系数随着流量增大而减小。④堰槽设施下游薄水层的特征长度和特征宽度随着流量增大有下降趋势,最大值均出现在流量阈值情况下。本研究有效解决了流量变幅较大的明渠测流设施匮乏问题,可为山区季节性溪流测流设施应用提供参考。     

Analytical solution for a phreatic groundwater fall: the Riesenkampf and Numerov solutions revisited

Steady, two-dimensional Darcian flow in a homogeneous isotropic unconfined aquifer, bounded from below by a rectangular wedge representing bedrock, is studied by the theory of holomorphic functions. A triangle of the complex potential domain is mapped onto a circular triangle in the hodograph plane with the help of an auxiliary variable. A full potential theory results in closed-form integral representations for the complex potential and complex velocity, from which the flow rate and free surface are calculated using computer algebra built-in functions. This solution, uniformly valid in the whole flow domain, is compared with simpler approximate ones, retrieved from an analytical archive. Two flow zones are distinguished: a tranquil subdomain where the Dupuit-Forchheimer approximation is suitable and a nappe (a subdomain with a rapidly changing Darcian velocity and steep slope of the phreatic surface) where the Numerov or Polubarinova-Kochina solutions, in terms of the full potential model, are available. Approximations in the two zones are conjugated by matching the positions of the water table and the flow rates, which eventually agree well with the obtained comprehensive solution.     

曲线坐标系二维带自由表面强紊动水流数值模拟

将追踪自由表面的流体体积(VOF)法应用于曲线坐标系下水流控制方程的求解中,计入流线弯曲对水流紊动特性的影响,建立了垂向二维强紊动水流的曲率修正的紊流模型,并对溢流坝反弧段的紊流特性进行了数值模拟。数值计算时,采用有限体积法离散水流的控制方程;物理变量,如:压力P、紊动参量κ、ε、γt等,采用交错方式排列(交错网格布置),用SIMPLEC算法求解离散方程。计算结果表明,得到的溢流坝反弧段的自由表面位置、速度场、压力场、剪应力分布和紊动能分布与实验结果吻合良好。     

溢流堰与竖缝组合式鱼道紊流结构试验研究

利用声学多普勒测速仪（ADV）实测了凹口溢流堰与同侧布置竖缝组合式鱼道的三维瞬时流速,应用射流力学和紊流统计理论剖析了鱼道水池内的时均流速、紊动强度、雷诺应力、相关函数、紊动尺度等紊流结构。试验研究结果表明:溢流堰与竖缝组合式鱼道池内水流流态呈现出复杂的三维紊流结构;同竖缝相比,溢流堰对紊动强度和雷诺应力的变化有着更为显著的影响,尤其是鱼道池内表层区域;堰流区涡旋的相关性比竖缝壁面射流区好,并且堰流区存在较大尺度的涡旋结构,而竖缝壁面射流区的涡旋尺度则较小。相比单一式鱼道,组合式鱼道紊流结构更加复杂,研究结果可为优化鱼道设计、修复鱼类生境提供参考。     

流量监测软在线架构与实践

聚焦新形势下水资源监测预警、生态流量监测等"水利行业强监管"的要求,以及实时流量监测的迫切需要,基于影响流量的内在水力要素关联,利用已有的实时要素监测信息,架构流量实时监测的通用算法,实现流量"软在线",成果在安徽普遍应用.与既有以流速传感为基础的流量在线监测"硬在线"方法互为补充,探索结果提示新一轮规划应拓宽视野,必...     

淹没丁坝群二维水流数值模拟新方法

为模拟淹没丁坝群平面二维水流运动,提出了淹没丁坝群二维水流数值模拟新方法并建立了数学模型。新方法的主要实施方案:① 将丁坝视为无厚度坝,用网格线概化丁坝;② 采用新的网格节点布置形式,即水深、流速节点布置于网格界面上,水位节点布置于网格中心,有别于一般交错网格节点布置。模型采用基于结构网格下的有限体积法对方程组进行离散,同时将淹没丁坝坝顶水深代入离散方程中进行求解。采用已有的水槽试验资料,进行了初步验证,模拟了长江下游东流水道已建丁坝群工程实施后河道的流场和水位场,结果表明计算和实测符合较好。     

冰川运动速度研究： 方法、 变化、 问题与展望

冰川运动将积累区获得的物质输送到消融区, 维持着冰川的动态平衡。近年来, 随着气候变化, 全球大部分冰川面临着剧烈的退缩, 而冰川运动变化则较为复杂, 引起了学者们的广泛关注。文章系统总结了近年来冰川运动速度的提取方法、 冰川运动速度时空分布与变化及其影响因素的相关研究进展。另外, 还探讨了目前冰川运动速度研究中存在的问题和未来的发展趋势。结果表明： 基于测杆的方法能够获得精度较高的测量数据, 但存在时间和空间上的局限性; 基于遥感数据自动化提取的方法应用广泛, 但影像之间的配准以及海量数据的计算是当前阶段制约冰川运动速度研究的主要问题; 近年来, 无人机和地基合成孔径雷达的应用为冰川运动速度研究提供了高精度的数据支撑, 但二者在冰川运动研究中的应用还不够广泛。冰川运动速度的分布及其变化在空间上存在明显差异, 冰川厚度的变化可能是全球大部分冰川运动速度变化的主要原因, 但在单个冰川系统上, 冰川运动速度变化较为复杂, 其原因还需要进一步探讨。遥感数据的不断丰富, 云计算平台的使用, 物联网、 无人机和地基合成孔径雷达等技术的不断普及, 以及星、 空、 地协同观测的出现将会极大促进未来冰川运动速度研究的发展。此外, 冰川动力学过程也将备受关注, 成为未来冰川运动研究的热点问题。     

密松水电站泄洪消能体型优化试验研究

在1:60溢流坝表、中泄水孔断面模型上对密松水电站泄水建筑物的布置方案进行了泄流能力、流速流态、压力分布等相关水力学问题的试验,并通过十多个方案的比较优化,提出了基本可行的泄水建筑物体型和消力池型式。研究成果表明:表孔采用合适的宽尾墩形式,对增加消能率、缩短消力池池长有利,但无法消除宽尾墩形成的水翅击打两侧导墙现象;表孔取消宽尾墩,采用跌坎式消力池方案,可有效降低底流消能时的池底板流速,同时消除宽尾墩形成的水翅击打两侧导墙现象,达到较满意的消能效果。本文中十数个消能方案的研究成果,对类似工程的设计和科研均有参考价值。     

A semi‐analytical solution of surface flow and subsurface flow on a slope land under a uniform rainfall excess

A new approach is proposed to analyze the surface flow and subsurface flow passing over a pervious ground under a uniform rainfall excess. The flow field is divided into two regions that are called water layer and soil layer. To figure out the hydraulic behavior of overland flow on an inclined plane under a rainfall event, the simplified Navier–Stokes equations are employed for the surface water flow, and the flow inside the soil layer is porous media flow, which is governed by Biot's (1956, 1962) theory of poroelasticity. The velocity distribution of overland flow is nonzero at the ground surface. The relation between water depth and slope length was developed first. The profile of surface water flow was then found backwards from the downstream end of the flow section by the Runge–Kutta method. After that, the flow velocity and flow discharge of each layer could also be obtained via the water depth. Finally, the variation of fluid shear stress inside the soil layer is also discussed. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.