弯道水流的数值模拟及沿河路基冲刷机理分析

应用大型流场分析软件Fluent,采用现代三维运动界面追踪技术VOF(流体体积)方法和标准k-ε模型耦合求解对圆心角为90°弯道的弯道水流三维流场进行了合理模拟,得出了河床剪应力的分布特征,为路基冲刷分析和合理防护措施的制定提供了理论分析的基础.     

纵向弯道水流的研究

本文对纵向弯道（抛物线段与反弧段）水流．结合工程进行了理论分析和实验研究．给出了抛物线型的表达方程及其参数．得出了抛物线段水深和压力分布的近似计算式和反弧段上水流压力分布公式，从理论上给出了这两种曲线在隧洞上、下游不同底坡上联接点的位置，并与实验结果进行了验证对比．     

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．     

明渠水流流速的时空相关性

为了研究明渠水流流速的时空相关性,在水槽中进行了3种不同比降的恒定均匀流试验。利用粒子图像测速系统(PIV)对水流的时间序列二维流场进行了测量,根据测量结果,分析了流速的时空相关性及其随比降的变化。结果表明:纵向流速空间相关等值线基本呈椭圆形分布,垂向流速空间相关等值线基本呈圆形分布,两者的时间相关曲线均呈一衰减曲线分布;随着比降的增大,同一数值的等值线包含的空间范围减小,而同一时间间隔对应的时间相关系数减小。     

明渠水流流速的时空相关性

为了研究明渠水流流速的时空相关性,在水槽中进行了3种不同比降的恒定均匀流试验。利用粒子图像测速系统(PIV)对水流的时间序列二维流场进行了测量,根据测量结果,分析了流速的时空相关性及其随比降的变化。结果表明:纵向流速空间相关等值线基本呈椭圆形分布,垂向流速空间相关等值线基本呈圆形分布,两者的时间相关曲线均呈一衰减曲线分布;随着比降的增大,同一数值的等值线包含的空间范围减小,而同一时间间隔对应的时间相关系数减小。     

等宽明渠交汇水流数值计算

针对明渠交汇口缓流流动特性,分别应用水深平均H-L模型及k-ε模型建立了二维数值模型．水深方向采用静压假定,可模拟自由面和河床地形变化;应用交错网格上的有限体积法对方程组进行离散并采用水深-速度校正算法求解;每个代数方程求解采用TDMA逐行扫描法;针对交汇口几何特征,分区进行网格划分、应用实测资料对两种模型进行了验证比较,结果表明两种模型均可模拟明渠交汇口基本流动特性,但H-L模型所得的分离区计算结果比k-ε模型更为准确．     

明渠水流临界水深的研究

本文首先说明了目前通用的明渠水流临界水深公式只适用于平底明渠缓变流,然后从理论上对任意底坡明渠急变流的断面单位能量和临界水深进行了分析.在考虑了离心力对急变流断面动水压强分布的影响后,导出了任意底坡明渠急变流的断面单位能量和临界水深的关系式,分析了明渠急变流的断面单位能量随水深的变化规律.同时还对流线的凹向、流线曲率半径及水面坡度对临界水深的影响进行了分析,论证了趺水处和曲线型实用堰堰顶的水深均小于按现有公式计算的临界水深的原因.最后,对曲线型实用堰堰顶水深进行了验算,结果与实测较为一致.     

植物对明渠水流的影响

基于理论推导及其简化处理,并结合部分水槽试验资料的回归分析,建立了明渠植树后床面相对切应力、糙率与树木因子ＦＶ之间的计算关系,为进一步探讨植物滞流拦沙的机理奠定了基础     

用舍位二阶滤波计算明渠水流

在水面线计算时需要选取合理的曼宁粗糙系数n。传统的方法是把n看成一个确定性数值,选定一个经验公式或查表来推算得到。其实n受到许多因素的影响,是一个不确定性数值。再者,在建立描述水面沿流变化的微分方程式时,由于作了种种近似假设,使方程本身受到噪声干扰。此外,由于条件的限制,使得量测数据也含有随机误差。基于以上所述,考虑到糙率等非确定因素的影响,可以得到水面曲线和糙率计算的连续—离散非线性随机模型。通过应用滤波理论,得到一整套更为准确和合理的估计算法,计算结果与水槽试验和某工程实例相对比,取得了令人满意的成果。     

弯道水流的混合有限分析解

建立了基于曲线拟合坐标系下的平面二维弯道水流数学模型,采用混合有限分析法进行了离散,对强弱弯曲河道矩形断面水流进行了数值计算.弱曲率弯道主流速度沿弯道外岸逐渐增加,在离心力作用下主流最大流速由凸岸逐渐向凹岸转移;且弯道水流的水面为一扭曲面,凹岸的水位线常形成上凸曲线,凸岸的水位线常形成下凹曲线.水面形态和流速重分布与相关文献实验结果符合良好,表明混合有限分析法与曲线拟合坐标的结合是一种可适用于弯道水流计算的有效格式.     

弯道弯曲度对水流结构的影响

为研究弯曲型河流中不同弯曲度河段的水流结构及演化规律,对同一曲率半径,同一渠宽,同一水深下,弯道弯曲度分别为30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°的7种矩形弯道内的水流进行了三维数值模拟.研究结果表明,弯道弯曲度对水面超高、主流位置、弯道环流结构均有显著影响.随着弯道弯曲度的增加,弯道内水面超高增大,但纵横比降反而减小;弯道弯曲度越大,主流集中程度越高,弯道出口断面主流区向凹岸偏移程度也越大.随着弯曲度的增大,环流强度也不断增强,环流中心也有向上向凸岸偏移的趋势.     

非对称复式断面明渠水流特性试验与数值模拟

采用三维超声测速仪对非对称复式断面明渠水流流场特性进行试验研究,采用L-Y雷诺应力模型对水面和固壁边界条件进行有效地处理,结合混合有限分析法数值模拟了复式断面明渠二次流流动,和实验资料的对比验证了数值计算和边界处理技术的合理可靠性.进一步分析复式断面明渠二次流运动的流动结构和特性,得到复式断面明渠流动中的二次流分布速度矢量分布、主流流速等值线及典型断面沿水深的主流流速分布,发现自由水面上的主流速度存在速度下降现象,二次流产生最明显的位置在明渠主槽与浅滩的接合部.     

明渠水流垂线流速分布与含沙量分布的关系

一、前言关于紊流中悬浮泥沙的垂綫分布理論,早在1931—1932年,就有苏联麦克維耶夫和美国渥勃令(O′Brien, M. P.)提出了“扩散理論”;苏联費里堪諾夫在1944年以后提出了“重力理論”。扩散理論与重力理論都是以水流的脉动作用为基础。扩散理論的基本方程为質量平衡方程式,只能适用于粒径較細的泥沙(d≤0.15mm);是用清水流速分布求得紊动扩散系数,所以只能适用于含沙量較小的条件。費里堪諾夫重力理論的基本方程是脉动的能量方程,作了二个假設:(a)浓度很小,引用了清水的等式,—(?)=gJ(h—y),(b)略去了脉动能的扩散传递,因此同样只能适用于低含沙量的条件。巴令勃拉脫;1953年旣用了运动定律,又用了質量守恆定律,仍然引进了含沙量很小的条件。爱因斯坦(Einstein, H. A.)与錢     

连续弯道水槽水流结构与床面形态试验研究

连续曲率弯曲河道是河流的常态,而河道弯曲引起的二次流是河床地形和河岸变动的主要动力.采用三维多普勒高级点式流速仪和Trimble TX8三维扫描仪,分别对模型40个断面和床面形态进行三维流速数据和床面形态数据采集.通过水流和床面试验,研究了连续曲率弯道水槽水流结构变化与床面形态短期演变特性.研究结果表明:模型弯道处水面发生扭曲,最大横比降位于各弯段弯顶下游.纵向流速在垂向上呈先增大后减小的趋势,这体现了明渠水流最大流速发生在自由水面以下.各断面存在一个主环流和一个反向小环流,部分断面出现3个或更多环流结构,且环流出现的位置横向流速在垂向上改变方向.环流强度最小值位于各弯段弯顶附近.在各弯段凹岸附近,纵向流速存在小流速区,床面形态均存在与小流速区相对应的床面平整区.活体柔性植被均匀种植的工况Run-4最大淤积和冲刷深度均小于无植被种植的工况Run-3,这说明弯曲边界引发的二次环流是河床地形的主要动力.活体柔性植被根系和植株对床沙和水流均产生影响,起到了增大河床阻力的作用.     

明渠水流挟沙能力的进一步研究

本文根据修正维利堪诺夫重力理论,利用拜格诺建立悬移质输沙率公式的基本概念,导出了明渠水流挟沙能力公式,并用野外和室内实测资料确定了公式中悬浮效率系数K的值。通过用黄河土城子河段的实测资料验证,结果表明计算值与实测值有较好的一致性。     

双层刚性植被明渠水流特性实验研究

基于粒子图像测速(PIV)技术对双层刚性植被水流进行了水槽实验,分析了植被在不同流量、水深以及不同植被排布方式下对水流的影响,研究了双层刚性植被水流的纵向流速、垂向流速和紊动强度等水力特性.实验结果表明:当水深和流量相同时,线性排列的植被对水流的抑制效应强于交错排列的植被;当植被排布方式相同,流量和水深在一定范围内增大时,植被对水流的抑制效应也随之增大;双层植被的存在,使水流的流动结构及紊动特性变得更为复杂,在植被层顶部附近物理量变化最为显著.     

测试水流冲刷剪切作用的试验研究

为了测试水流对水工混凝土的冲刷作用 ,研制了一种改型的水流剪切力测试仪 ,可以在水中不受正压力的影响 ,测试水流产生的剪切作用。这种设备制作简单、成本低廉 ,不需要特殊材料和专门加工。经过标定后 ,测试数据很精确。利用这种仪器进行大量的、不同检测环境的试验 ,根据采集的数据给出了水流剪切作用力与水压力、水流速度、冲刷角度及含沙量等参数之间的关系     

明渠水流-水质模型的格子Boltzmann方法

建立了一个明渠水流-水质的格子Boltzmann模型(LBM),经过Chapman-Enskog展开可以得出守恒形式的二维明渠浅水动力学方程组和对流扩散方程。对于浓度场,针对各向异性的紊动扩散系数提出改进的简化LBM模型,即松弛时间在纵向和横向不一致以及平衡分布函数不含流速的二阶项,更符合宏观方程。数值模拟了污染物的非对称扩散稳态和对流扩散输送的二维稳态问题,并与理论解进行了对比,相对误差在3%以下。对于二维恒定流下事故瞬时排放污染物的动态扩散输送问题,结果较好的反映了下游取水口处浓度增值随时间变化的高斯分布,和一阶迎风有限体积通量向量分裂法(FVS)的计算结果对比相对误差不大于1.8%。本模型具有很好的并行计算性能,在环境污染模拟与预测的数值计算领域有着广阔的发展前景。     

应用Godunov格式模拟复杂河网明渠水流运动

为克服传统河网数学模型无法准确模拟急流或存在水面间断的复杂明渠水流等问题,采用具有良好激波捕捉能力的Godunov格式建立了新的一维河网水动力数学模型.模型采用基于HLL格式的有限体积法离散Saint-Venant方程组,采用数值重构的方法使模型整体获得时空二阶精度.在汊点处由质量、能量守恒方程和特征线理论构造汊点方程组,求解该方程组为各河段提供内边界条件.模型计算无需特殊的河道编码,每个汊点和河段分开单独求解.通过4个经典的数值算例对模型进行了验证,结果表明模型能够自动处理流态变化,具有良好的精度和稳定性,同时具备很好的模拟复杂河网水流运动的能力,说明新研发的河网数学模型是成功的.