松花江白山河段冰情数值计算及分析

根据水动力学、河流动力学、热力学、河冰水力学及固体力学等原理,针对松花江上游白山河段具体特征,建立了河冰数学模型,并应用有限差分计算方法,对白山河段冬季冰情演变进行了精确模拟。应用该河段1958-1973年共15年完整的地形、气象、水文、热力、冰情等原型观测资料,分别进行了模型参数率定及冰情数值模拟。研究结果表明:白山河段的封冻首先开始于白山坝址下游4 km的大崴子河段,然后封冻边缘逐渐上溯,最终到达松14断面;计算的白山河段冰花堆积体外形与河床纵剖面呈相似趋势;各种水力及冰情要素的数值计算结果和实测值吻合较好,所建立的数值模型能较好地模拟该河道的冰情。研究结果对东北地区河流冬季冰情研究及冰害防治具有一定的借鉴意义。     

圆形断面管道非满流流速计算表达式

工程实际中,常需要计算某一充满度下管道非满流的流量及流速。目前大多数计算模型均采用水力半径作为反映过流断面形状及几何尺寸的特征参数。针对不同充满度的研究结果表明,这种类型模型的计算结果与真实的流动特性并不相符,尤其当水深接近管顶时。根据水动力学基本原理及试验研究手段,对圆形断面管道无压均匀流流量-充满度非单一性进行了探索,并提出了以流量作为形状特征参数的更为合理且简单实用的水流流速计算表达式。     

开河期冰盖横向冰缝形成机理

春季随着流量或水位增加,冰盖底部受水流上举力作用发生弯曲,首先在岸壁附近形成纵向冰缝,破坏冰盖与岸壁的冻结,导致冰盖体中间部分与岸壁脱落分离。采用弹性基础梁的理论及计算方法,通过对冰盖体弯矩及弯曲应力分析,针对平面弯曲和垂直弯曲两种弯曲形式导致冰盖体横向冰缝形成机理进行了研究,并提出了横向冰缝间距的计算表达式。计算结果得到了实测资料的验证。研究结果表明,横向冰缝间距与开河初期冰盖宽度、厚度、冰的抗弯强度及地貌特征有关。     

感潮河段潮流数值计算

应用圣维南方程组、普赖斯曼隐格式及双扫描解法等提出了感潮河段洪潮遭遇的非恒定流数值计算模型，并对感潮河网中所常见的边界条件进行了分析研究。计算与实测结果比较表明，所采用的方法有效可行。     

采用适体坐标变换方法数值模拟天然河道河冰过程

为了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引起计算边界变化等困难, 针对天然河道边界弯曲复杂的特点, 建立了适体坐标下的二维河冰数值模型.应用MacCormack步进法求解, 并应用黄河河曲段实测资料对数值模拟进行了验证.     

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。     

明渠交汇口水流分离区研究

支流汇入主流后,在明渠交汇口下游附近形成分离区,造成过流断面束窄.采用水力学基本理论及试验手段,对等宽明渠交汇口水流分离区的形状及尺寸进行了理论分析和试验研究,提出了分离区收缩系数及能量损失系数的理论表达式并与试验结果进行了比较.研究结果表明,随交汇角或主支流流量相对大小不同,分离区尺寸发生变化;对于给定交汇口几何形状及尺寸,分离区形状基本保持不变,但分离区尺寸随流量比变化并具有较好的相关关系,并随交汇角增大呈有规律增加.     

天然河道冰塞演变发展的数值模拟

应用河流动力学和热力学等原理,建立了冰塞形成及演变发展的冰水耦合的综合动态数学模型,并利用黄河河曲段原型实测资料进行了验证,同时对冰塞体厚度和水位的演变规律进行了研究分析。计算结果表明:提出的数值模型能较好地模拟河道封冻过程中冰塞体的发展演变过程。     

冰盖下水流垂线流速分布规律研究

河道中冰盖显著改变了水流流动结构.采用k-ε紊流模型建立了冰盖下水流流动垂向二维数值模型;根据量纲分析理论提出了流速分布规律的影响因素;针对各种因素的不同组合进行了数值计算,并对其流动特性如最大流速点位置、冰区及床面区平均流速等进行了分析研究;对冬季封冻河道的二点测流法精度进行了理论分析.研究结果表明,冰盖下水流的纵向流速在流动核心区并不遵循对数分布规律,同时揭示了冰盖底部与河床的相对粗糙比、河床相对粗糙度及雷诺数对流速分布规律的影响.     

开河期冰盖纵向冰缝形成机理

春季河道武开河可能导致冰坝形成,至今仍缺乏以力学机制为基础的开河预测方法。春季河道径流增加导致与岸壁冻结的冰盖底部产生上举力,并引起纵向冰缝产生。利用力学分析中弹性基础上的梁理论对开河期冰盖纵向冰缝形成机理进行了研究,提出了纵向冰缝间距解析表达式,可用于开河期冰盖断裂预测。应用原型观测资料对提出的纵向冰缝间距理论表达式进行了验证分析。研究结果表明,开河期纵向冰缝间距计算值与实测值吻合较好。