悬移质泥沙运动过程模拟分析

为了实现悬移质泥沙运动过程的模拟分析,应用联合k-ε紊流方程和悬沙输运方程的单流体模型,采用有限体积数值方法对其离散求解,分别对净冲刷和净淤积试验算例进行了计算模拟,计算结果与试验结果吻合良好,说明该模型是正确有效的,可以用来模拟悬移质泥沙的运动问题.分别对两个试验中泥沙上扬和沉降的运动过程进行数值模拟,结果表明:净冲刷和净淤积试验中泥沙开始上扬和沉降直至稳定状态分别运行24 s和35 s.采用单流体模型可以有效地对悬移质泥沙运动过程进行数值模拟,为河流海岸工程中的水沙研究提供可靠的参考和依据.     

挟沙水流悬移质运动效率系数的研究

悬移质运动效率系数是泥沙悬浮运动消耗能量(悬浮功)与挟沙水流紊动能量之比值,它是反映悬移质运动能量功效最重要的特征参数.本文基于两相挟沙水流紊动能量平衡方程,在二维、恒定、均匀及充分紊动的流态条件下,经过必要的推导和简化,得出悬移质运动效率系数理论表达式;通过应用黄河下游实测资料,对效率系数公式进行验证计算,结果表明效率系数公式计算值与实测值相符较好;进一步应用黄河下游实测资料,建立了效率系数与水流挟沙能力之间的关系,说明随着含沙浓度的增加,水流挟沙能力相应加大,效率系数呈下降趋势,并趋于一个稳定的低值范围,含沙浓度进一步增加不会给水流增添额外的能量负担,为黄河挟沙水流高效输送提供了科学依据;同时效率系数公式的导出为建立挟沙水流挟沙能力公式、揭示输沙机理奠定了基础.     

阶梯溢流坝面流场的紊流数值模拟

为了详尽地研究阶梯溢流坝面的紊流流场特性，采用雷诺应力模型对阶梯溢流坝面上的流场进行紊流数值模拟，得到了阶梯坝面水流的速度场，压力场，紊动能和紊动耗散率的分布规律，并与实测值进行比较，结果令人满意。     

高含沙水流紊动输送

通过理论及资料分析研究了清水、低含沙水流和高含水流的紊动粘性系数变化规律。结果表明，考虑紊流相干结构的清水水流紊动粘性系数随尾迹强度的增加或减小而相应增减。低含沙水流紊动粘性系数随含沙量增加而减小，即挟沙后水流紊动强度减弱。高含沙水流紊动粘滞系数更是如此，且垂向最大值偏离中间水深向下移。紊动粘性系数与含沙量、冲刷、淤积状态有关，宾汉极限剪切力对紊动粘性系数有较大影响。     

考虑水流紊动的丁坝下游回流区水流挟沙力研究

研究复杂流态下丁坝回流区水流挟沙力的变化规律,对于优化丁坝设置具有重要的意义.基于丁坝水流紊动实验所得主流区、回流正流区和回流负流区的水流紊动强度,利用水流切应力和流速的关系,建立了考虑水流紊动强度的丁坝回流区水流挟沙力公式.利用此公式解释丁坝后的淤积现象、三峡永久船闸上引航道口门区淤积以及桥墩后部漩涡冲刷现象,并给出不同紊动强度下主流区、正流区和负流区不淤流速.公式可用于回流河段泥沙数值模型中.     

用k_ε紊流模型及有限元法解二维异重流方程

本文用水沙混合水流的运动方程和质量守恒方程作为二维泥沙异重流的控制方程,用k-ε紊流模型闭合雷诺应力,用有限元法解上述方程组,计算了泥沙异重流的流速、含沙量、紊动动能和紊动粘滞系数的分布,并与试验的流速和含沙量资料进行了对比,最后分析了含沙量与紊动动能、流速的关系,阐述了在含沙水流中紊动动能有可能转化为水流的势能.     

光滑壁面明渠水流的三维格子玻耳兹曼模拟

明渠水流与泥沙运动、河床演变等问题密切相关,明渠水流特征的研究对于揭示明渠水流作用下的泥沙运动机理具有十分重要的意义.为此.应用新型数值模拟方法三维格子玻耳兹曼方法对明渠均匀流进行了研究.首先介绍了格子玻耳兹曼方法的理论基础、边界条件处理以及流动的驱动方式,接着分别模拟了明渠层流和光滑壁面紊流的近底水流运动.结果表明,得到的明渠层流流速和切应力分布与解析解吻合较好,同时较好地反映了光滑壁面明渠紊流的流速分区结构、紊动特性和阻力规律,从而说明格子玻耳兹曼方法在明渠水流模拟中具有较好的适用性,为进一步采用该方法研究明渠流近底泥沙颗粒运动机理奠定了基础.     

基于含沙紊动水流掺混长度的含沙量垂线分布

根据Prandtl掺混长度理论对紊流动量传递的假设,推广得到挟沙水流中泥沙扩散对应的含沙紊动水流掺混长度。类比Prandtl动量传递系数与紊流掺混长度的关系,由含沙紊动水流掺混长度推导出与实测数据吻合较好的泥沙扩散系数,得到新的含沙量垂线分布公式,并利用多个海域实测资料对其进行验证。验证结果表明,新的含沙量垂线分布公式能够较客观地反映含沙量垂线分布规律。     

河口半潮平均含沙量的确定

根据泥沙运动理论和水流能量平衡理论，针对水流对泥沙的不同作用方式，推导得到计算河口半潮平均含沙量的表达式，并在长江口进行了初步研究.研究表明，河口半潮平均悬移质含沙量由水流输送的悬移质和从床沙中上浮的悬移质组成，同时还应考虑河口其他动力因素(如风、波浪等)的作用.含沙量的定量表达为进一步确定河口半潮平均的挟沙能力确立了基础.     

河口半潮平均含沙量的确定

根据泥沙运动理论和水流能量平衡理论，针对水流对泥沙的不同作用方式，推导得到计算河口半潮平均含沙量的表达式，并在长江口进行了初步研究.研究表明，河口半潮平均悬移质含沙量由水流输送的悬移质和从床沙中上浮的悬移质组成，同时还应考虑河口其他动力因素(如风、波浪等)的作用.含沙量的定量表达为进一步确定河口半潮平均的挟沙能力确立了基础.     

高含沙水流挟沙能力

作为河流动力学中的核心问题之一,水流挟沙能力的研究一直受到众多学者的重视．首先以固液两相挟沙水流紊动能量平衡时均方程为理论出发点,在二维、恒定、均匀、充分紊动的流态条件下,经过详细推导了悬移质运动效率系数的表达式,并进一步推导得出水流挟沙能力的结构公式．在此基础上,依据115组天然沙和粉煤灰两种平衡输沙实验的实测数据,结合高含沙水流的流变特性及输沙特性,确定挟沙能力结构公式中的有关参数,获得了具有普遍意义的高含沙水流挟沙能力公式,最后采用大量的黄河、无定河、长江等天然河道实测资料对公式的可靠性进行验证,结果表明计算值与实测值相符合的程度令人满意．该成果对完善河流动力学特别是高含沙水流的理论体系、建立黄河生态输沙需水量模型以及指导治黄工程规划设计等均具有十分重要的现实意义．     

刚性沉水植物影响下波浪传播及泥沙悬浮数值模拟

由于植物引起的紊动作用,含刚性植物床面中悬浮泥沙浓度与无植物裸床相比显著增加,而通过平均流速计算底床切应力的传统泥沙模型无法模拟出该现象。因此,在含植物水流水沙运动物理模型试验的基础上,构建了基于Flow–3D的含刚性沉水植物条件下波浪传播的三维数学模型,模拟了植物影响下波浪动力特征和泥沙悬浮过程,同时从紊动能角度修正希尔兹数,对泥沙模块进行了改进。与实测数据相比,该模型可较精确地模拟出植物引起的整体水流流速减小和局部冠层顶部处的流速增大、水体紊动增强以及紊动能在波周期内出现两个峰值的现象。与原始泥沙模块相比,改进的模型考虑了植物尾流紊动对泥沙运动的影响,可提高含植物床面泥沙悬浮模拟的精度。     

分汊河道分沙的三维数值模型

为分析汊道口门处水流结构对悬移质分沙的影响,采用带旋流修正的k-ε双方程紊流模型,对分汊河道分流口门处的三维水流结构进行精确计算,并在此基础上,采用可考虑相间滑移的混相流模型对不同形态分汊河道的悬移质分沙进行计算。计算结果显示了分汊口门处表底层水流的差异及横向环流的存在等现象,与前人的实验值吻合良好。计算结果表明,分汊口门处的环流强弱和悬移质垂线分布是影响汊道分沙比与分流比关系的主要因素。     

牛顿流体圆管紊流流动及顶替规律研究

本文应用紊流力学中圆管紊动微分方程式及普朗特关于总应力沿管径不变的假设,再考虑普朗特的混合长度理论,径过严密的数学推导,得到了一个新的圆管轴向紊流时均流速分布公式.这些公式由于保留了粘滞应力项,因而理论上比普朗特的圆管紊流公式更为合理.最后,基于上述分析,导出了牛顿流体圆管紊流顶替速度分布公式及界面位置公式.     

悬移相似条件对河床变形相似的影响研究

通过渭河咸阳城区段模型试验论证，分别研究了目前常用的两种悬移相似条件对河床冲淤变形的影响，试验结果表明：应以同时考虑紊动扩散及水流纵向流动对悬移质运动影响的沉速比尺，作为泥沙动床模型悬移相似条件，即只有依此确定模型悬移质泥沙粗度时，才能使河床冲淤变形与原型相似。     

山区河流平面二维水沙数学模型研究

根据泥沙交换原理，建立了河道非均匀沙悬移质水流挟沙力及推移质输沙率的计算模式，将非均匀沙推移质与床沙的交换形式概化为单向淤积、单向冲刷及淤粗冲细3种基本形式，并建立了每种交换形式下的非均匀沙推移质有效输沙率的计算公式．针对天然河道边界复杂及天然河道长宽尺寸一般相差悬殊的特点，本文采用正交贴体网格．在此基础上建立了正交曲线贴体坐标系下的平面二维全沙数学模型．采用有限体积法对拟合坐标系下的水沙基本控制方程进行了离散，在求解过程中采用了欠松弛技术和逐线迭代法．在北盘江坝油滩河道中对水位、水流流速以及河床冲淤等进行了验证计算及分析．数值实验表明，该模型能正确地模拟山区河流复杂的水流以及河床的冲刷、淤积过程。     

横流条件下垂直动量射流数值模拟

运用标准k-ε紊流模型和易实现k-ε紊流模型对横向流动条件下垂直动量射流的混合特性进行数值模拟.计算结果表明,2个模型均较好地复演了横向流动条件下垂直动量射流的传播和混合过程.在时均特性方面,2个模型的模拟结果相近,计算结果与前人的试验结果吻合较好.在紊动特性方面,计算的紊动强度分布趋势与试验结果吻合较好,且易实现k-ε紊流模型的模拟结果要优于标准k-ε紊流模型,但2个模型都不足以从定量上描述横向射流的紊动特性.     

弯道水流紊动强度

采用先进的三维声学多普勒流速仪对水力光滑壁面的弯道水流紊动特性进行了系统的试验研究，较为全面地测量了弯道水流的三维时均流速和脉动强度等．根据试验数据，探讨了弯道水流的紊动机理，分析了弯道水流的紊动特性，得出了弯道水流纵向相对紊动强度的数学表达式；同时还对弯道水流纵向、横向及垂向的紊动强度分布特点进行了比较．     

用标准k-ε模型求解二维紊动淹没射流

本文认完整的纳维埃—斯托克斯方程出发,分别采用紊动粘性系数为常数的紊流模型相标准k-ε紊流模型,求解船闸中的二维紊动淹没射流。计算结果与实测结果值的比较表明,标准k-ε模型远优于常数模型,它能准确地预测紊动淹没射流涡旋区的非边界层型的复杂流态及紊动动能的分布。     

k-ε模型中紊动扩散系数的修改及验证

本文用环境水力学方法推求污染带内的紊动扩散系数，代替标准k-ε紊流模型中的紊动扩散系数Г=vt/σt，试图克服k-ε紊流模型中紊动扩散系数假定为各向同性的缺陷．用两种方法确定的紊动扩散系数分别代入扩散方程进行数值模拟，并与实测资料进行了比较．结果表明．环境水力学方法所确定的紊动扩散系数更符合实测资料．