大型泄洪洞有压弯道水力特性

为系统研究泄洪洞有压弯道的水力特性,结合大比尺物理模型,采用三维Reynolds应力数学模型(RSM)对不同来流流速、弯曲半径和转角的有压弯道进行了计算,用模型试验资料对弯道的压力和流速分布进行了验证,计算值和试验值吻合良好。给出了弯道的内外压差和最低压力的规律、二次环流的发生和发展过程,弯道的水力特性和弯曲半径关系较大,并提出了一些工程措施。     

强弯条件下分层流运动特性试验研究

采用物理模型试验对强弯明渠剪切分层流的运动特征机理进行了研究,试验中模型特别制作了直段、90°、180°强弯段3套试验水槽,模型配有上、下层两套不同的进水系统,以产生上下两层不同的流速和温度,形成剪切分层流,试验进行了直段、90°、180°强弯段多种不同流速工况组合,试验工况流态也从存在明显分层逐步过渡到强掺混状态。采用ADV、HR 2红外热像仪、电子式点温计等量测手段,较为系统地获得了沿程不同断面的流速、温度分布,以及湍流动能、雷诺应力等反映运动机制的物理量,揭示了在强弯曲条件下分层流运动沿程特征分布和断面环流结构,并与直道情形进行了比较。     

南水北调中线工程典型倒虹吸进口上游垂向流速分布

倒虹吸是输水工程中常见的水工建筑物,研究倒虹吸进口上游的垂向流速分布是明晰其水力学性能的重要内容之一。以南水北调中线工程典型的唐河倒虹吸为研究对象,通过水力学概化模型试验,运用声学多普勒流速仪,实测不同水深和流量组合工况下倒虹吸进口上游的垂向流速分布。试验结果表明,受倒虹吸进口结构的影响,上游垂向流速分布呈现出明显的顶部流速降低和底部流速增加的现象,且淹没度越大、距离倒虹吸进口越近,上述趋势越显著;采用明渠对数型流速分布描述上述垂向流速分布时,其计算误差呈抛物线型分布,采用指数项修正后,新的修正公式可用于计算倒虹吸进口上游垂向流速分布。     

矿井排水沟流量测量数值模拟

为实现矿井排水沟测流便捷,基于某矿排水沟实测数据与水流数学模型,通过对其三种宽深比不同的矩形断面所在沟段流场进行数值模拟,获得了各断面流速分布,并利用流速实测值对其进行了验证。结果表明:各断面流速均呈对称分布,且离壁面越近,流速值越小;流量相同时,不同宽深比断面其流速大小及分布形态均有所不同,但断面平均流速基本均在中垂线上水面以下0.8倍相对水深处,可作为单点法测流位置。     

仿自然鱼道整体物理模型试验研究

仿自然鱼道不仅能满足多种鱼类的洄游需要,同时还增加了河道内鱼类生境的数量与多样性,近来越来越受到人们的重视。由于仿自然鱼道结构复杂,断面型式多变、边坡及底部材质粗糙,糙率估算困难等,目前尚无完善的研究方法。结合新干枢纽仿自然鱼道工程,建立了1∶12的整体物理模型试验,对鱼道初步设计方案的水流条件进行了论证。结果表明,采用常规鱼道的研究方法控制鱼道内底坡、底宽、池室长度、偏移率和透水率等参数,然后通过整体物理模型试验进行验证和优化,可有效地用于指导仿自然鱼道的设计。与常规鱼道相比,仿自然鱼道受断面型式及建造材料的尺寸误差等影响,鱼道线路内流速差异明显。特别是鱼道转弯段,偏移率受弯道影响,流速易出现较直线段高或低的情况。研究成果为工程的设计提供了参考依据,同时为仿自然鱼道的设计和研究提供了参考。     

明渠剪切分层流垂向扩散特性试验研究

对直段水槽明渠剪切分层流的掺混扩散特性进行了物理模型试验研究.试验测得的断面流速、温度、紊动动能、雷诺应力等物理量,分析了分层流掺混强度和出水口附近交界面垂向热扩散系数的变化规律.结果表明掺混强度的变化规律随流态和相对位置的不同均有明显差异;出水口附近交界面垂向热扩散系数E_z与掺混强度E成正比关系,而与出水密度弗劳德数Fd₀成指数递增关系;提出了E_z与E、Fd₀的经验函数表达式.     

浅层和深层垂直埋管的换热器（低温热源）

作者介绍了浅层和深层垂直埋管换热器的数学模型。根据设计的数学模型可以得出：1）流体流速，2）热源温度，3）根据换热器出口循环水的温度和从地下提取的热能的总量以及地表有效热能的总量，确定某一换热器的几何结构。     

山区河流平面二维流场的数值模拟

针对山区河流边界地形复杂、水位及流速变化剧烈的特点,用"混合五对角法"建立平面二维数学模型并求解,进行水位和流速的数值模拟.利用嘉陵江重庆金刚碑-朝阳桥河段地形及5个横断面的水位和水深平均流速资料对此模型进行了验证,模型快速、准确地再现了该河段的水位和水深平均流速情况.     

流动环境中倾斜浮力射流的积分方法

给出了基于积分方法的一种倾斜浮力射流的数学模型,且流速、密度和浓度差剖面假定为高斯分布,并导出了用来封闭该数学模型的较为完全的掺入率公式.用计算精度较高的有限分析法计算这类定解问题,计算结果与试验资料基本吻合.     

确定先期固结压力数学模型的研究与应用

地基不均匀沉降一直是困扰工程建设者的一个难题,而土体的先期固结压力则是预测地基沉降量和采取预防措施的一个重要参数。利用基于Matlab软件自主开发的复合工具箱CFSPT(Curve Fitting Solving and Plotting Tool),结合太原市地面沉降中最为常见的粉质黏土,研究分析了现有5种数学模型和本人引入的Guass1、Gauss2模型对确定粉质黏土先期固结压力的适用性和数学模型确定的先期固结压力与《土工试验方法标准》中经验法确定值的差异,并分析了如何选择最优数学模型确定先期固结压力。结果表明: 7种数学模型回归分析程度均很高,但仅Guass1模型确定的先期固结压力与《土工试验方法标准》中的经验法确定的值最为接近; 最优数学模型应当满足elgp曲线在初始端趋于一非零定值,在末端趋近于0,中间段曲线要收敛于一条斜直线。     

河流泥沙模拟技术进展与展望

本文系统总结了河流模拟技术的发展过程和研究成果。河流模拟技术包括河流实体模型和泥沙数学模型两部分。在实体模型方面,已建立了一整套河工模型的相似理论、设计方法和试验技术,在模型变态、模型沙选择、高含沙水流模拟、模型测验等方面取得了重要的研究成果,并解决了大量的工程泥沙问题。在数学模型方面,建立了一维、二维和三维泥沙数学模型,并随着泥沙基本理论研究的不断深入与广泛的工程应用,在计算模式、数值计算方法、计算结果的后处理、参数选择、高含沙水流问题处理等方面均取得了重要进展。本文还展望了河流模拟技术今后的发展方向。     

CAD真三维实体模型在地下洞室边墙稳定性评价中的应用

CAD技术日益成熟,已成为工程应用技术的业界标准。CAD技术在地质工程领域的应用多基于二次开发,通过程序计算剖面线及剖面上的各种界线,再以线、面作为基本图元成图,这样计算相对复杂,特别是作三维分析不但数据量大、计算复杂,而且三维图形展示的效果通常不佳,本文结合大型水电工程应用实践,针对以往地下厂房边墙稳定性分析中长大结构面所控制块体组合的搜索、三维图形的分析、展示中的一些不足,探讨以实体来描述地质体的一种应用方法,通过数学建模,建立研究目标的CAD真三维实体模型,不但能得到良好的三维图形展示效果,而且能直接由图获取三维数据,为地下洞室边墙的稳定性分析提供了一种有力的辅助手段。     

长江中游瓦口子至马家咀河段二维水沙数学模型

针对长江中游瓦口子至马家咀河段(弯曲分汊河段)的水沙运动特点,给出了二维水沙数学模型尤其是推移质不平衡输沙计算的模式,主要包括推移质不平衡输沙方程、床沙级配方程、河床变形方程;对模型中的几个关键问题提出了处理方法,如非均匀沙起动及输移规律、床面混合层厚度等.利用大量的水流及河床变形资料,率定了模型的一些参数,进行了水面线、流速分布及河床变形的详细验证.在此基础上,根据设计部门提供的进出口水沙边界条件,预测了三峡工程蓄水初期该河段的冲淤过程与分布及航道条件的变化.     

Perturbed earth processes due to thermally induced deformation in a discontinuous granite mass

Summary The effect of thermally induced stress on fractured granite is considered, using mathematics to solve an engineering problem that includes: (1) physical information translated into a mathematical form; (2) a mathematical model proposing a solution of the problem and (3) interpretation of the solution in physical terms.This procedure, applied to an engineering problem demonstrates that theory and its physical applications are related.     

城市江堤外移工程对防洪影响研究

以浙江省温州市瓯江江堤外移工程为例,应用二维潮流数学模型研究了堤线外移的不同工程方案对城市防洪的影响。该模型能够模拟瓯江与楠溪江交汇引起的复杂水流运动,以及多岛屿对水流流场的影响。验证计算表明,计算的潮位及18条垂线流速及断面流量过程与实测值吻合较好,误差均小于10%。因堤线外移的部分大多位于河道岸线的凹囊,适当外移可使河道岸线更趋平顺。100年一遇洪水时,瓯江大桥至鱼旗山堤线外移曲线方案1与直线方案2分别使屿头山-梅岙河段最高潮位壅高0.03～0.04m及0.04～0.08m。多年平均流量450m3/s时,方案2使塔山至鱼旗山断面垂线平均流速增加6%～22%,工程段以外河段流速变化较小;方案1缩窄的河宽和拦截过水面积明显小于方案2,相应引起流速变化也较小。     

沙漏型岩溶地面塌陷物理模型

为了进一步研究覆盖型岩溶地面塌陷的发生条件和机理,在作者关于土体塌陷理论的基础上,着重研究了渗漏型地面塌陷的地质现象、地质模型、物理模型及其数学表达式。根据地质现象和砂性土中砂颗粒在塌陷过程中的运动学响应特征,建立沙漏型岩溶地面塌陷的地质模型。在此基础上,概化出物理模型,并根据物质守恒定律推演沙漏型塌陷的数学表达式。由此探讨了沙漏型塌陷规模与岩溶和水文地质条件的关系,认为沙漏型塌陷历时与砂性土的摩擦系数的平方、水力坡降的平方根及可溶岩洞径的8/3次方根成反比,与塌陷坑深度的立方成正比。文章从地质现象→地质模型→物理模型→数学表达式来研究沙漏型岩溶地面塌陷,地质理论依据充分,物理过程可靠,数学逻辑严密,所推导出的数学表达式较好地反映了沙漏型地面塌陷的基本规律。经工程案例验证,该物理力学模型与实际情况较为吻合。      

精确的频率空间域黏声波有限差分数值模拟

在时间空间域,模拟吸收衰减效应时对计算机内存需求大,计算效率不高、非常难以进行模拟吸收衰减;频率空间域通过引入品质因子和复值速度,使用经验物理、数学公式进行数值模拟吸收衰减就容易多了。笔者使用十分节省计算机内存需求的嵌套剖分法,使用Kjartansson模型高效率地进行模拟吸收衰减。数值试验证实吸收衰减影响地震场的所有频率、对高频的影响最为明显,降低了地震记录的质量;频率空间域非常容易模拟吸收衰减效应,为黏声波全波形反演实际地震资料而奠定很好的基础。     

岩土颗粒介质在应力波作用下的接触力与变形关系

为了描述岩土颗粒介质在应力波作用下的接触力与变形关系,运用接触力学和刚体动力学等理论方法,考虑颗粒体之间的局部非线性相互作用,通过引入恢复系数,导出了适用于低速冲击情况下的颗粒介质弹塑性接触模型,通过几种算例的比较分析,说明了该计算方法的合理性。结果表明：本文给出的接触力与变形关系,避开了复杂的增量形式和非线性动态接触问题,且反映了颗粒体的冲击速度、物理力学性质、几何特征以及表面物理条件等因素对接触过程的影响,便于工程推广应用。     

基于模型试验的泥石流坡面物源启动预警模型

为进一步探明银洞子沟物源区坡面物源启动机理与降雨的相关性,在进行详细的现场考察与工程勘察工作后选取了典型模型体,并采用20余组人工降雨物理试验方法将降雨强度与坡度设为控制变量,研究了4种坡形、5种雨强条件下,坡面松散物源的失稳机制及破坏模式。试验结果揭示了地表变形与地下物理力学参数变化的定量响应关系,并基于试验发生破坏的临界雨量,建立了银洞子沟传统I-D预警模型。之后提炼可靠预警参数(坡度、深部体积含水率),通过数学回归分析方法并采用Exponential模型,得出IGD、IGM多参数新型预警判别式,实现了传统I-D模型的有效修正,并具一定的可靠性和实用价值。     

非恒定水流计算的最优控制问题及其变分求解

为综合利用各类可用的信息源(如水流运动规律,观测资料和统计信息),在反问题的框架下构建了非恒定水流计算的变分模型.针对模型预测的可能误差来源,给出了初始条件、边界条件、物理参数三类独立参量及综合控制问题的定义.在此基础上,阐述了变分法求解这类偏微分方程最优化控制问题的基本原理及模型求解步骤.同时,为便于应用参考,选取初始条件、边界条件和物理参数作为控制向量,以实际常用的水流运动微分方程为基础,导出了一、二维非恒定水流计算的通用伴随方程.并以珠江黄浦至大虎段二维潮流计算为例,展示了变分模型的应用.