河口时变水流挟沙能力公式

为反映河口输沙随潮作非恒定变化的特性,提出了时变挟沙能力的公式。当潮流在加速(减速)过程中由挟沙过剩(不足)的非平衡态向挟沙不足(过剩)的非平衡态转化时存在临界平衡点,此时含沙质量浓度达到极大(小)值。据此机理从若干河口实测非恒定水沙过程提取平衡点数据,结合量纲分析建立河口时变挟沙能力的通用公式。该式与悬移质微分方程的时变体积分数协调一致,避免了半潮平均挟沙能力公式与不平衡输沙之间的矛盾。     

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.     

珠江三角洲八塘尾潮汐河段动床模型设计

根据八塘尾碍航浅滩位于潮汐河口段以及河床淤积既有推移质又有悬移质泥沙的特点,模型设计从不稳定流的水流运动方程和连续方程,悬沙和底沙运动方程以及河床变形方程出发,考虑河床泥沙的起动,沉降和含沙量的相似条件,导出了潮汐河口悬沙和底沙冲淤模型试验相似律。试验中,潮汐放水过程按冲淤时间比尺控制,单潮周期按水流时间比尺控制,以保证水流运动相似。验证试验表明,模型设计、模型沙选择及时间比尺处理是合理的。     

长江河口横沙小港泥沙浓度的观测及研究

用OBS－3浊度计在1998年2月12日至21日期间在长江河口横沙小港对悬浮泥沙浓度作了观测,同时也用ENDCO海流计测量了流速、流向、水温和盐度。观测数据表明不论潮还是小潮期间,在落潮过程中泥沙浓度的扰动比涨潮过程中更加频繁和强烈,存在着高频振荡。动力分析表明这是由潮扩散的不对称性造成的,即落潮期间垂向湍流扩散比涨得垂向切变不稳定增强。观测还指出泥沙浓度的变化与流速密切相关,存在着泥沙峰值滞后于流速峰值的现象。这是首次用先进的OBS浊度仪在长江口横沙小港观测在落潮期间泥沙浓度的高频扰动,并从动力成因上做出了解释。     

闽江北支水道水文、泥沙特征分析

利用闽江口所设置5个定点连续观测站的流速、盐度、温度、浊度与悬沙资料以及同步观测的5个潮位观测站的潮位资料,分析闽江河口的水文特征和悬浮泥沙含量特征.研究表明,闽江口的水文特征有:涨潮历时短,退潮历时长,各潮位观测站的涨潮时刻由河口向感潮河段的上游依次推迟,落潮时刻由感潮河段的上游向河口依次推迟.温、盐分布情况受径流和潮流共同作用,径流对表层水体温度、盐度影响剧烈.在观测时间,观测区域内,温度变化范围在24.9-30.1℃,盐度变化范围在4.1-33.7.输沙量计算结果显示,在测量期间,壶江水道和熨斗水道落潮输沙量大于涨潮输沙量,河口输沙以河流输沙为主.     

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.     

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.     

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．     

江苏入海河道河口治导线研究

为了指导江苏河口滩涂资源合理开发,加强江苏入海河口管理,维持江苏入海河流挡潮闸闸下港道排水能力,采用遥感卫片以及GIS(地理信息系统)分析、水动力数值模拟、泥沙水力特性试验等方法分析了闸下港道变化情势、河口滩涂对闸下港道淤积影响、归槽落潮滩涂保护范围和港道整治工程范围,并在分析结果的基础上,确定了河口治导线划定原则.应用结果表明,河口治导线划定原则可用于沿海滩涂开发利用建设项目,并可指导江苏沿海可持续开发利用和保护.     

准二维非恒定非均匀泥沙数学模型

在一雏非恒定非均匀泥沙数学模型研究的基础上,提出了可以模拟横向冲淤变形以及河宽变化的准二维非恒定非均匀泥沙数学模型．将横断面沿河道流向分成若干个流管,对每个流管利用非耦合法分别求解水流方程和泥沙方程．运用Preissmann四点偏心隐式格式对水流连续方程和运动方程进行离散,并用追赶法求解．采用迎风格式将悬移质连续方程离散成差分方程求解．根据最小能耗率原理,判别河床冲淤变化方向,以确定河宽是否变化、该模型弥补了以往大多数准二维泥沙数学模型只能按等流量划分流管,且只能模拟恒定流、均匀沙、固定河宽情况下的河床冲淤变化的缺陷．利用青铜峡水库实测的水沙资料,对所建立的模型进行了验证,计算结果与实测值吻合良好．     

河流泥沙的资源化与开发利用

 河流挟运泥沙是一种客观自然行为,有水流运动必有泥沙输移。然而,由于人类对流域内自然生态环境和河流本身的干预加重,使进入河流的沙量增多,并使泥沙在某些位置产生累积性的淤积,泥沙在不适当部位的淤积已成为困扰环境、防洪、航运等多方面的严重问题犤1、2、4、6犦。对严重的泥沙问题,以往提出了许多措施以减沙消灾,但在除害的同时对泥沙的利用研究甚少。实际上,泥沙是一种优良的天然资源。泥沙蚀高淤低,曾经造就了河流中下游大片的平原低地,而且至今也在河口等区域缓慢地自然造地。     

论柴油机排气压力波计算的边界条件

借助电子计算机,予计柴油机排气压力波对柴油机工作过程的影响,直接关系到柴油机设计和试验研究工作。所以排气压力波计算成为柴油机性能分析中必不可少的组成部分。排气压力波所遵循的方程是一维拟线性双曲型偏微分方程组,要求带有两点边值问题的周期解。在管道内,方程解的性质是与外界气流交换过程息息相关的,边界条件正反映这个交换过程。根据[1][7]建立起来的边界方程式,我们进行了多方面的计算,结果常常导致数值解的发散。经过分析表明,上述文献所建立的边界方程式,由于出现奇性,严重地影响数值解的收敛性和稳定性。特别是由于奇性而引起的计算误差的传播,严重地破坏解的收敛过程。因此为了保证压力波数值解的正常进行,关键在于建立合适的方界方程式,进行合理的数学加工。根据几年来的实践,采用[1]对气缸端建立的力学模型,引入了损失系数和相对流动速度的概念,在这个基础上导出相应的气缸端的边界方程,可以克服出现奇性的弊病。而对各排气管交叉中心处,提出了压力相等而熵值忍受跳跃的力学模型,并建立了相应的边界方程式。它的特点是既考虑了因不同气流混合而出现的熵值间断,又避免了因连接管数增加造成应用动量定理的困难。无论是气缸端边界条件,还是交叉处的边界条件,详细分析了边界方程的适定性问题,以及衔接条件,指出发生接触间断和弱间断的地方。对边界条件的这些特殊性有了认识以后,才能掌握计算全过程的主动权,为克服数值解发散提供理论根据。用本文所导出的边界条件,对一个排气系统进行数值计算(参看[2]),结果还是令人满意的。本文所讨论的气缸端边界条件和分枝接头的边界条件,分别简称为边界条件(B)和边界条件(E)。     

长江河口悬沙颗粒特征变化趋势及成因

以长江口潮区界(大通站)至口外海滨为研究区域,通过对1950~2013年60余年实测水沙数据的分析,研究了长江河口悬沙颗粒变化特征、趋势及成因.主要结论为:(1)1950~2013年期间,潮区界d63μm悬沙百分含量增加,输运量减小,d63μm悬沙输运量和百分比均减小,且该组分悬沙主要沉积在潮区界至潮流界区间;(2)潮区界至潮流界区间沿程上悬沙粒径伴随d63μm悬沙输运量减小而减小,2006~2013年该区间悬沙粒径较1960~1985年期间为细化趋势;(3)2013年7月潮流界至徐六泾河段的悬沙中值粒径(d_(50))较2004年8月明显减小,同时2002~2010年逐年8月徐六泾断面悬沙中值粒径与大通站同步性减小趋势,表明流域悬沙粒径变化已影响至长江口;(4)1998~1999年、2003年、2007年和2010~2011年期间南支、拦门沙、口外海滨及北支河段的悬沙中值粒径为减小趋势,百分含量上黏土增加,粉砂和砂略有减小;(5)南港—南槽为粗颗粒悬沙输运通道,2005年8月、2007年8月和2010年8月南港、北港、南槽和北槽悬沙中值粒径均为减小趋势,百分含量上黏土先增加后减小,粉砂先减小后增加,整体上仍以d63μm泥沙占优势.在成因上,长江流域进入河口d63μm悬沙输运量的锐减为潮区界至口外海滨区域悬沙细化的主要因素.     

河口闸下水动力与泥沙清淤问题的研究

为优化河口防潮闸下清淤工程方案,提出了以两相流方程描述底沙运动的理论模式,建立了泥质河口二维水流、泥沙数学模型,并优化独流减河口闸下清淤工程方案.对独流减河口闸下大、中、小潮潮位、流速、含沙量过程和海床演变进行了验证,计算分析了现状地形条件下闸下泄流能力,对宽浅型和窄深型两类清淤方案的不同清淤规模的泄流能力进行了计算模拟.讨论了不同清淤规模条件下泄流能力、清淤量、回淤量与回淤率的关系,给出了各工程方案的清淤效率指标.     

水砂混相流运动的CIP-DEM耦合数值模型

为建立精确模拟水砂混合流(如:挟砂溃坝溢流)问题的数值计算方法,提出了模拟固液混相流运动的垂向二维CIPDEM法耦合数值计算模型。模型采用CIP(constrained interpolation profile scheme)法求解描述水体运动的Navier-Stokes流体运动方程,采用DEM(discrete element method)法求解描述泥沙粒子团运动的牛顿力学方程;并通过水砂间的相互作用关系将水-砂运动进行耦合。通过分别对溃坝溢流和砂体下落的单相体运动进行数值模拟并与前人的实验结果进行对比,验证了CIP法流体计算模型和DEM法砂体计算模型妥当。在此基础上,采用所建立的CIP-DEM水砂耦合数值计算模型对干床面上的挟砂溃坝溢流问题进行了数值模拟,计算得出的挟砂溃坝溢流中的水、砂运动形态和运动过程与Zhang(2009)等的实验结果吻合良好,表明提出的CIP-DEM耦合模型在对具有大自由表面变形的水砂运动问题的模拟中具有较好的适用性。     

考虑泥沙减阻效应的潮波理论模型及其在钱塘江河口的应用

潮波理论模型快速高效,但在钱塘江河口应用甚少.钱塘江河口外水体浑浊,涨潮流亦挟带大量泥沙进入钱塘江河口,泥沙的存在极可能显著影响潮波特征.本文将考虑泥沙减阻效应的动床阻力经验式直接应用于Winterwerp-Wang潮波理论模型,计算得到了与钱塘江河口实测潮波数据吻合的潮波演化结果,检验了现有考虑泥沙减阻效应的动床阻力经验式在以细粉砂为主的钱塘江河口的适应性.研究还表明,床面摩阻、河口收窄幅度(如围垦工程影响等)、水深等因素均对潮波演变、尤其是潮差的沿程变化有重大影响.     

近底泥沙通量的处理方法及适用性

为了正确理解悬沙运动方程底边界条件即近底泥沙通量的诸多处理方法的物理意义和适用性,避免泥沙理论分析和数值计算带来的偏差,归纳总结了近底泥沙通量的各种表达式,对它们的适用性和合理性进行分析.结果表明:以挟沙力、切应力、参考浓度或临界速度等方法处理近底泥沙通量,表达形式虽然多样,或将临界切应力换成对应的临界速度表示,或加入一些修正系数,但其物理本质不变,只是为了处理一些具体问题而做的简化或修正;挟沙力方法和切应力方法的经典形式用于描述近底泥沙通量更具一般性,这2种方法描述的物理过程有差别.     

青岛大沽河口泥沙数值模拟研究

基于圣-维南方程和悬沙输移及沉积的基本关系,采用隐式和显式相结合的方法,建立了河口尾闾段泥沙数学 模型,并成功地模拟了青岛大沽河河口段的冲淤演变规律.     

潮滩减少对杭州湾悬沙特征的影响

1974至2020年间,杭州湾沿岸潮滩累计减少面积将达1 290 km2,占杭州湾水域面积的25.8%.基于FVCOM水动力数值模型,耦合水沙密度,引入悬浮泥沙对底边界层的影响,并考虑细颗粒泥沙絮凝过程,建立河口三维细颗粒泥沙数值模型,提高了高悬沙浓度河口悬沙数值模拟的准确性.实测及卫星反演数据验证结果显示,该模型能较好地模拟杭州湾水沙运动.基于所建模型,采用不同时期的杭州湾潮滩数据,研究潮滩面积减小对悬沙浓度、悬沙通量及冲淤分布的影响机理.结果显示:潮滩减少过程中湾内流速及底床切应力发生变化,进而影响湾内悬沙浓度.杭州湾潮滩减少导致乍浦以西水域流速降低,月均悬沙浓度最大减幅高达30%.乍浦以东水域流速增大,月均悬沙浓度升高约15%.潮滩减少主要通过影响潮泵效应,进而改变湾内悬沙输运特征,平流输沙项在潮滩减少过程中对杭州湾悬沙特征的影响较小.1974至2003年间,杭州湾潮滩面积减少约787 km2,澉浦断面潮泵效应增强,陆向悬沙净通量增大,金山、芦潮港断面陆向悬沙净通量减小,杭州湾淤积量减少.2003至2020年间潮滩面积减少约503 km2,金山、芦潮港断面潮泵效应增强,陆向悬沙净通量增加,而澉浦断面由于潮泵效应减弱导致悬沙净通量减小.杭州湾内湾淤积量不断增大,外湾冲刷量逐渐增大.研究结果可为河口海岸规划和环境管理提供科学依据.