冰盖下水流速度分布的二维数值模拟分析

基于标准的κ-ε模型,利用有限体积法,对冰盖下水流速度分布进行了二维数值模拟和分析.结果表明:当冰盖和河床糙率比值变化时,水流速度剖面发生变化;冰盖下的最大流速值比速度对称分布时要大,且偏于光滑的一边;在相对光滑壁处近壁流速值大于相应对称分布时的流速值,该结果与实验室实测速度剖面情况吻合.数值试验表明,最大流速点位置的偏移量仅在有限的范围内,冰盖区、床面区及冰盖下水流平均速度相差较小,表明了工程应用中假定各区流速相等是可行的.     

封冻河道下流速分布和阻力问题探讨

封冻河道的水流阻力计算和水流速度重分布问题一直是河冰研究的重要问题之一,多年来,很多学者进行了相关研究,然而研究大多采用了冰盖区、河床区及过流断面水流平均速度相等的假定.依据Prandtal半经验紊流理论,采用目前普遍使用的对数流速分布公式,对上述假定进行了研究分析,由分析来看,这种假定的正确性需要探讨;分析也表明,阻力计算时若假定冰盖区和床面区的能坡相等,对宽浅式河道也将导出谬误.依据分析,就如何解决相应的问题提出了思路和建议.     

冰盖下冰花浓度分布的数值模拟

封冻河道内的冰花分布规律对冰期水文及环境分析有着重要的意义. 视冰花为连续介质, 基于多相流理论和欧拉-欧拉模型方法, 建立了河渠垂向二维标准k-ε紊流数值模型. 在不同的水流流速、 冰花颗粒尺寸、 上游来冰量条件下, 对冰盖下冰花浓度场进行了模拟分析, 得到了冰盖下冰花分布特征. 结果表明: 水流流速越大, 冰花沿垂向分布范围越大, 冰花浓度分布曲线斜率越大, 冰花浓度沿垂向的均匀性越大, 同时浓度最大值越小; 冰花颗粒尺寸越大, 冰花沿垂向分布范围越大, 冰花浓度分布曲线斜率越大; 上游来冰量越大, 冰花沿垂向分布范围越大, 在同一水深其浓度值也越大, 冰花浓度沿垂向分布的均匀性越大.     

河床地形影响潜流交换作用的数值分析

选取对潜流交换具有重要影响的河床地形作为主要研究内容,采用数值模拟(MODFLOW程序)的方法研究在河床横剖面地形不均匀的条件下,潜流交换量的空间分布以及地下水流场的演变机制。结果表明:在河床地形起伏不均的情况下,潜流交换量更易发生在河道的深水区域;地下水流向受河床地形影响较小;近河床界面处的地下水流速受地形起伏影响剧烈,深水区域的地下水流速远大于浅水区地下水流速;通过与现场试验结果对比分析,得出河床地形起伏是引起潜流带渗透系数非均质现象的重要原因之一。     

基于适体坐标变换的二维河冰模型

为精确模拟流动边界条件,克服边界形状复杂、长宽尺度相差悬殊及由于水位变化引起计算边界变化等困难,针对天然河道边界弯曲复杂等特点,应用水动力学和热力学等原理,建立了适体坐标下的二维河冰数值模型,模型主要包括流速场,水温沿河道变化,水内冰浓度分布,面冰输移,冰盖推进、稳定和消融,冰盖下冰的输移、堆积和冲蚀等,考虑了冰盖底部水中冰堆积和冰盖前沿形状对封冻过程的影响。采用MacCormack步进格式计算方法,并应用黄河河曲段实测资料对数值模拟结果进行了验证。验证结果表明,提出的数值模型能较好地体现河道的封冻过程。     

冰盖下矩形河道的综合糙率

综合糙率是采用曼宁公式确定河道水位和流量关系的关键参数。在河道冰封期,冰盖的出现增加了流动的阻力,明流条件下确定的综合糙率不再适用,需要重新估算。基于Einstein阻力划分过流断面的原理,冰盖下矩形河道的过水断面可划分为冰盖区、河床区和边壁区。根据总流的连续性方程,在确定各分区糙率系数、水力半径和断面面积的基础上,提出了冰盖下矩形河道综合糙率的计算公式。采用已有的试验水槽测量数据和天然河道实测资料对公式进行了验证,结果表明:公式计算的综合糙率与实测值吻合较好,与Einstein公式和Sabaneev公式相比,计算精度更高;对于冰封水流,宽浅河道采用分区水深代替水力半径进行简化计算的条件有别于明渠水流,在宽深比大于20时,计算结果才满足精度要求。     

长江口潮流速垂线分布规律研究

河道中流速沿垂线的分布规律是研究许多河床动力学问题的关键.长江口潮流河段涨、落潮流垂线流速分布有其特殊规律,因此根据长江口实测水流流速资料,分析流速垂线分布的规律性具有重要意义.本文通过对长江口的实例运用对数线性扩展分布模式计算分析,并与传统的对数分布模式进行比较,结果表明,对数线性扩展分布模式在各层数据上都与实测数据具有更好的相关性.     

不同近岸河床组成情况下岸坡崩塌试验

在弯道水槽中开展6组试验,分别用非黏性土及黏性土填筑河床,研究相同水力作用下近岸河床组成对黏性岸坡崩塌的影响规律。研究发现,在试验给定的岸坡及河床组成情况下,非黏性河床凹冲凸淤且总体表现为淤积,近岸河床及凹岸岸坡冲刷强度大,凸岸附近床面上泥沙掺混较明显;黏性河床及凹岸岸坡均被冲刷,河床主流区冲刷强度比近岸河床及凹岸岸坡大。相较于黏性河床,非黏性河床近凹岸处较易冲刷,水流结构重新调整,凹岸坡脚处水流流速及紊动能可增至2倍左右,环流强度可增至11倍,加速了岸坡崩塌及崩塌体的分解输移;非黏性河床近凹岸坡脚处变形以及凹岸岸坡崩塌量均相对较大,岸坡崩塌强度为河床淤积强度的2~4倍,崩塌物质可充分补给河床的泥沙来源;经水力冲刷后非黏性河床组成情况下形成的河道滩槽高差相对较小,河道横断面相对宽浅。     

黑河下游颈口裁弯后河道三维水流结构研究

黄河源黑河下游于2018年7月汛期发生1次颈口裁弯的极端地貌过程,裁弯河段的水流结构发生强烈调整,开展原型观测裁弯后河道水流结构具有重要科学意义。2019年和2020年采用声学多普勒流速剖面仪对裁弯河段共计45个横断面进行野外测量,对比分析裁弯后河道三维水流结构与环流强度。结果表明:受河道形态、边界条件、水文条件等因素影响,裁弯口上游顺直河段的水流结构受颈口裁弯的影响较小,而弯道段水流结构于裁弯后明显调整。具体表现为颈口裁弯对顺直河段的流速、环流强度空间分布无较大影响,会改变弯顶段最大流速的横向分布和环流结构的断面分布、影响分离区的规模和分布位置。研究结果加深了颈口裁弯后水流结构调整对牛轭湖淤积、分离区河床冲淤以及新河道冲刷影响的认识。     

黄河下游限制弯曲段河道冲淤数学模型

模型对黄河下游特有的来水来沙条件及河床边界条件下的河道冲淤规律进行了模拟。根据不平衡输沙理论,结合天然河道实际情况,将河道断面进行滩槽划分,采用综合阻力公式反映水沙条件变化,沉速计算考虑了含沙量特别是细颗粒影响,模型可应用于高含沙水流。验证结果与实测资料基本符合。     

Numerical modeling of the Sakuma Dam reservoir sedimentation

The present study attempts to predict the reservoir sedimentation in 32 km region of the Tenryu River between the Hiraoka and Sakuma Dams in Japan. For numerical simulations of the reservoir sedimentation, the one-dimensional model of the Hydrologic Engineering Centre-River Analysis System (HEC-RAS) is used together with the inclusion of channel geometry, bed gradation curve, Exner-5 bed sorting mechanisms, fall velocity of the particle, and flow and sediment boundary conditions pertaining to modeling region. The modeling region of the Tenryu River is divided into 48 river stations with 47 reaches in the numerical simulations. The numerical model is calibrated using the available data for 48 years from 1957 to 2004. The formulae of sediment transport function, Manning’s roughness coefficient, computational increment and fall velocity have been identified for getting the best estimation of the Sakuma Dam reservoir sedimentation. Combination of obtained sensitive parameters and erodible limits of 2 m gave the best comparison with the measured bed profile. The computed results follow the trend of measured data with a small underestimation. Although Manning’s roughness coefficient has an effect on the sedimentation, no direct relation is found between the Manning’s roughness coefficient and reservoir sedimentation. It is found that the temperature of water has no effect on the reservoir sedimentation.     

三峡工程大江截流水力要素变化分析

根据三峡工程大江截流期间收集到的截流河段,导流明渠、二期上下围堰口门区的水位,流速,流量,河床地形,水面流态等监测资料,分析研究了截流河段（尤其是动态的龙口）水力要素的变化规律及其相互关系。分析表明,龙口纵,横断面的流速分布受戗堤进占与平抛垫底施工和上游来水来沙的综合影响。围堰渗流量的监测对分析明渠分流比,石渣戗堤稳定研究起到了补充作用。     

矩形明槽宽深比和边壁糙率对于流速分布和阻力影响的实验研究

本文通过矩形水槽试验,改变宽深比和边壁糙率,系统地研究了明渠恒定均匀流水力学特性.试验表明,根据断面上各条垂线流速分布的特征,可将断面划分为对数流速分布区和抛物线流速分布区.文中给出了两区流速分布的表达式以及两区分界线和垂线最大流速点位置随宽深比和边壁糙率而变化的规律.本文还分析了光滑明渠流和粗糙明渠流阻力系数的变化、阻力系数的分割以及剪切应力沿床面和边壁的分布规律.     

水位流速耦合演算模型研究

河道防洪,水位和流速是重要的预报特征量.目前对于缺乏流量观测资料和没有稳定水位流量关系线的河道,几乎还没有实用、有效和具有通用性的水位与流速双变量预报模型.以水流质量和力的平衡方程为基础,根据因次分析方法,提出摩阻的导数表达结构,并差分形成水位流速双变量耦合演算模型.通过钱塘江、赣江和桂江3个流域中4个河段的模拟检验,取得了较好的结果,率定期和检验期的确定性系数都大于0.7.初步证明了双变量耦合演算模型结构的合理性和模拟实际河道水流的有效性.     

2D numerical modelling of meandering channel formation

A 2D depth-averaged model for hydrodynamic sediment transport and river morphological adjustment was established. The sediment transport submodel takes into account the influence of non-uniform sediment with bed surface armoring and considers the impact of secondary flow in the direction of bed-load transport and transverse slope of the river bed. The bank erosion submodel incorporates a simple simulation method for updating bank geometry during either degradational or aggradational bed evolution. Comparison of the results obtained by the extended model with experimental and field data, and numerical predictions validate that the proposed model can simulate grain sorting in river bends and duplicate the characteristics of meandering river and its development. The results illustrate that by using its control factors, the improved numerical model can be applied to simulate channel evolution under different scenarios and improve understanding of patterning processes.     

Flow structure of turbidity currents

A two‐dimensional numerical model is used to describe the flow structure of turbidity currents in a vertical plane. To test the accuracy of the model, it is applied to historical flows in Bute Inlet and the Grand Banks flow. The two‐dimensional spatial and temporal distributions of velocity and sediment concentration and non‐dimensionalized vertical profiles of velocity, turbulent kinetic energy and sediment concentration are discussed for several simple computational currents. The flows show a clear interaction between velocity, turbulence and sediment distribution. The results of the numerical tests show that flows with fine‐grained sediment have low vertical and high horizontal gradients of velocity and sediment concentration, show little increase in flow thickness and decelerate slowly. Steadiness and uniformity in these flows are comparable for velocity and concentration. In contrast, flows with coarse‐grained sediment have high vertical and low horizontal velocity gradients and high horizontal concentration gradients. These flows grow considerably in thickness and decelerate rapidly. Steadiness and uniformity in flows with coarse‐grained sediment are different for velocity and concentration. The results show the influence of spatial and temporal flow structure on flow duration and sediment transport.     

山区型河道一维水力数值模拟糙率确定方法

糙率参数取值是河道水流一维数值模拟的关键技术。山区型河道因河势变化急剧而产生的局部阻力对水流流态影响较大。根据山区型河道的水力特性，提出了综合反映子河段内河底切力及局部阻力的综合糙率的确定方法，并通过算例对该方法进行了测试，取得了预期的效果。该方法使得水流一维数值模拟时的计算子河段划分趋于方便，同时对于缺少历史观测资料的河道糙率参数的确定，提供了一种新的方法。