非淹没丁坝附近三维水流运动特性的研究

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防潮闸闸上淤积原因及对策分析

第１８卷第４期２１０２年４月
水利科技与经济
ＷａｅｎｓｒａｙＳｉｎｅａｄＴｅｈｏｏｙａｄＥｃｎｍｙｔｒＣｏｅｖｎｃｃｅｃｎｃｎｌｇｎｏｏ
Ｖｏ．１Ｎｏ４１８．
是滞后于水流的运动的。就防潮闸而言，闸下潮位开当
５结论
本文根据对防潮闸上下游河道淤积物的取样实验分析，明防潮闸闸上淤积物主要来源于河口的海相泥沙，证
始下降，进入落潮期时，前期伴随涨潮进入河道内的泥沙并非马上随潮位下降与落潮流同步输出河道，者存在两
Ａｐｒ２２．，０１
防潮闸闸上淤积原因及对策分析
闫凤新
（天津市永定河管理处，津天３０３）０１１
［要］通过泥沙样本取样和实验分析，防潮闸闸上泥沙淤积来源和机理进行研究。出摘对提减少淤积的相关措施，为今后防潮闸闸上清淤及防淤减淤提供依据，永定新河防潮闸的合理为调度运行提供参考。［关键词］水闸；淤积；重流异
物级配代表了永定新河河口泥沙粒径的级配参数，取选
永定新河典型河道泥沙级配曲线见图１。宁车沽防潮闸
Ｈ－一・－
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丁坝附近湍流的二维数值模拟

）
式中：为水深，Ｕ和分别为和Ｙ方向垂线平均的水平流速分量，重力加速度，和分别为方向的河底坡度ｇ为ｓ和摩阻坡降，和分别为Ｙ方向的河底坡度和摩阻坡降。Ｓ和的计算式为：
＋Ｉ — ￣２ｖ２，ＣＣ￣２ｖ２ “ ５＝ｆｕｆｕ＋
Ｏｘ＝ｘＯ
＋
Ｏ）＋（ｋｐ
Ｏｘ
＝
ｃ
一
，ｃ。＝．２，ｃ４
＝．ｓ，叼６
＝
１数学模型
１１控制方程．
（２
＋
，＝｛＋）＝３，０２Ｏ券，４７＝０，１．卢．ｕｌ７１
二维浅水方程在直角坐标下的表示形式为：
和分别是与湍动能ｋ和耗散率ｓ对应的Ｐａｄ数。ｒｎｔｌ
迎十
ｄ０
ｄｙ
上：０
ｄｙ
ｒａｌ）
（（一ｓ）＋
１２求解方法和边界条件．
ｄ
＋
本文采用有限体积法离散控制方程，方程的求解采用了
ｓｐｅ法。对于源项的处理是把源项局部线性化，ｉｌ算ｍ即假定
中图分类号：６７９Ｕ１．１
文献标识码：Ａ
丁坝是河道整治、水工程和海岸防护中常见的水工建取
—
Ｏｈｕ）Ｏｈｕ）（ｓ￣（ｓｙ
—
筑物，丁坝修建后使水流流动缩窄，产生坝头分离流和坝尾
回旋流，局部流动呈强三维紊动特性。以往对丁坝的研究，主要是依靠水槽试验和河工模型试验，丁坝的回流尺度、对流场特性的确定提出了很多概括的理论方法，由于所获流动信息量少，流场特性了解也就有限。随着计算机技术的发对展，利用数值方法对丁坝绕流问题开展了研究。ｊ。目前湍流数值模拟方法可以分为直接数值模拟方法和非直接数值模拟方法。非直接数值模拟方法分为大涡模拟、统计平均法和Ｒｙｏｓ平均法。李中伟等以流函数涡度ｅｎｌｄ方程为控制方程，模拟了不同量级下不同长度正交丁坝的局部流场；杨元平通过沿水深方向积分的平面二维水流运动方程组，推导出透水丁坝坝后的回流区长度计算公式；云夏峰等利用沿水深平均ｋ—ｅ模型，首次将地形反映法用于丁坝的模拟，并较好地反映了坝前壅水现象和过坝水流水面线的变化；宜林通过大涡数值模拟研究了丁坝附近的水周流特性；彭静等将非线性紊流模型用于丁坝的流动模拟中，并与线性模型进行比较。研究表明，准ｋ—ｅ在模拟障标碍物绕流问题时，回流区尺寸这一重要流动参数的预报偏对低。本文以浅水方程作为控制方程，并用ＲＧｋ一￡模型来Ｎ解决紊动项，通过有限体积法离散方程组，模拟、析了单一分丁坝情况下丁坝附近的流场、丁坝坝后水流回流长度等物理

三维宽浅河道水流数学模型研究

３２
中国工程科学
水面高程；Ｓ为单位水体源汇密度，人为正，出流流为负；。，为源汇处设备的进出口流速； … ＤＭ。Ｄ，Ｄ分别为各向紊动黏性系数。
２２紊动粘性系数的确定．
式中Ｍ分别为，，，。Ｙ向流速值；为自由ｚ
［者简介］丁道扬（９４一）男，作１３，江苏扬州市人，授级高级工程师，导，教博主要从事计算水力学、工水力学研究工作；水
Ｅ —ｍａｌｄｎｄｏａｇｈｔｉ．ｏｉ：ｉｇａｙｎ＠ｏｍａｌｅｍ
型计算工作量明显减少，仍反应了紊动粘性系数它
空间分布的差异，以其能较好地模拟浅水河道水所
流的三维特征。
紊动粘性系数应是空间的函数，求解式（）２首先遇到的困难是如何确定紊动粘性系数。对于浅水流动，然河底摩阻力对水流运动起主要控制作显用，出。紊动粘性系数之问关系，找与由此就可以确定紊动扩散系数的空间分布。根据紊动粘性假设，动剪应力，存在如下关系：紊『
换和适体曲线坐标变换的应用，致了求解方程的导
ｃ十）ｔ
十
Ｏｙ
＋
非线性化，更进一步增加了计算工作量。文章研究对象是宽浅河道水流，长江中下游如

丁坝对弯道水流影响的分析

弯道水流是渠道和河道中常见的一种水流运动现象。自１７８０年Ｔｏｐｏ通过试验首次发现了弯道螺旋ｈｍｓｎ流之后，弯道水流一直受到研究人员的关注¨ 。无论是国外还是国内，Ｊ都对弯道水流的动力特性有一些共性认识，主要集中在水面横比降、横向环流、流速重分布等方面。在一定范围内，Ｊ弯道产生的复杂流动结构及
《ｏｌｅｏａｅｏｓｖｎｙｈｎａｇＡｒｕｔｒｌＵｉｒｔ，Ｓｅｙｎ１１１ｈｎ；２ＣｎｅｖｎｙＶｎｙＢｒａ１ＣｌｇＷｔＣｎｅａｃ，Ｓｅｙｎｇｉｌａｎｖｓｙｈｎａｇ１０６，Ｃｉａｏｓｒａｃａｃｕｅｕｏｅｆｒｒｃｕｅｉｆ
流态会影响河岸稳定，因此需在弯道险段布置护岸工程。丁坝是一种传统的护岸方式，国内外应用的比较广泛，相应研究丁坝周围水流结构的也很多，弯道水流运动所涉及的物理量往往很多，边界条件复杂多变，很难利
用现有的计算公式直接得到确切的数值解，大多数的研究都是在现有理论的指导下，以实测资料为基础，建立物理或数值模型，进行模型试验，由于测量技术的限制，但对丁坝周围水流流态的研究还没有趋于完整的理论。基于此，本研究针对弯道水流特性，在传统丁坝护岸的基础上，采用先进的声学多普勒流速仪对弯道及丁坝附近的水流流速进行系统的测量，获取有关弯道和丁坝水流的三维信息，从多方面研究丁坝对弯道水流流态的影响，进一步研究丁坝在消除弯道断面环流及调整、均化流速分布方面的作用。
ｍｅｓｎｌｃｕｔｓＤｐｌｒＣｌｅｔｔｒｈａｅｕｆｃｒｓｉｕａｉｎａｄｒｄｓｒｕｉｎｏｅｏｉｎｃａｎｌｅｄｅｅｓｍｍａｎｉａｏｓｉｏｐｅＵｎｅ．ＴｅｗｔｒｓｒｅｃｏｓｃｒｌｔｎｅｉｔｂｔｆｌｃｔｉｈｎｅｎｓｗｒｕｏａｃＴｍｅａｃｏｉｏｖｙｂ —

顺直微弯型分汊河道水流的紊动特性试验研究

■ Ｏ
４
和雷诺应力等水动力参数．ｉｏＡＶ在每个测点以５ｚＭｃＤｒ０Ｈ频率采样３，２每点共有１０瞬时数据．动能Ｓ０个６紊
｜ｌｃ用工况ｌ的主河道平均流速的平方ｊ进行无量纲化处理后记为ｋ紊动能定义参照文献［５．，１］
／Ｒｆ，＼９一Ｒ
图２横断面位置（位：单ｍｍ）Ｆｇ２Ｌｃｔｎｆｒ￣ｃｏｓ（ｎｔ：ｕ）ｉ．ｏａｉｓｏ１ｓｅｔｎｕｉｎｎｏｃ］ｓｉｓ
试验采用美国Ｓｎｅ公司进口的１Ｈ声学多普勒流速计ＭｉｏＡＶ测量水流的三维流速、动强度ｏＴｋ６ｚＭｃＤｒ紊
（０９Ｘ７０－６２０Ｚ０１３０）０
作者简介：顾莉（９１）女，１８一，江苏盱眙人，讲师，士，博主要从事环境水力学研究． —ａｌｇｌｃｈ．ｄ．ｎＥｍｉｕｉ＠ｈｕｅｕｅ：ｑ
４６７
河海大学学报（自然科学版）
动动能大于两侧岸边区域．汉河道紊动能的平面分布在垂向存在差异，其在支汊前半段，紊动区的强分尤高
度与范围明显不同．由图３ｂ和（）（）ｃ可知，层和底层的高紊动区的量值均小于中层，中层与底层量值相表且
第３９卷第５期２１年９０１月
河海大学学报（自然科学版）
ＪｕｎｌｆｏａＵｉｒｔ（ａｒｌｃｎｅ）ｏｒａｏｈｉｎｖｓｙＮｔａＳｉｃｓＨｅｉｕｅ

采砂河段水流泥沙数值模拟研究进展

采砂河段水流泥沙数值模拟研究进展刘亚婷;尹志刚【摘要】天然河道在采砂活动的作用下,会呈现河道冲刷加剧、河床纵横向大幅下切、河道断面面积显著增大的状态,导致床沙量大大减小.由于河床演变规律复杂、趋势难以准确预测,所以,为研究建立河道数学模型,预测河道采砂影响,分别从泥沙运移公式、采沙坑数值模拟、采砂河段水流数值模拟、泥沙数值模拟4个方面,对各种河型、水沙条件下的水沙特性及河床演变规律进行论述,并预测了今后可能的研究方.【期刊名称】《长春工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(019)004【总页数】6页(P28-32,75)【关键词】泥沙经验公式;水流数值模拟;水沙数值模拟;采砂坑数值模拟【作者】刘亚婷;尹志刚【作者单位】长春工程学院水利与环境工程学院 ,长春 130012;长春工程学院水利与环境工程学院 ,长春 130012【正文语种】中文【中图分类】TV1490 引言当今，我国部分地区存在有法不依、执法不严的现象，非法采砂、采矿、侵占水域岸线等情形没有得到有效的治理。

大量的河砂开采使得河床面下切、河床比降下降、水面线下降、边坡倒塌、河道侵蚀、渗透破坏、生态环境受损。

因此，有必要应用数值计算方法模拟河道的采砂状况，从而对流域进行宏观上的掌控。

不少学者通过创建物理模型和数值模型，对采砂河道演变情况进行分析。

然而，给长河段大规模的河网建立物理模型时对场地要求的条件高、难度大且工作量大，因此，对采砂河段进行数值模拟分析是预测采砂影响的重要手段。

1 泥沙经验公式研究进展20世纪初期，国外研究人员在对泥沙运移分析过程中遇到了重重困难的情况下通过现场观察和物理实验得到了基本的理论。

[1]主要有DuBoy的牵引力公式(之后被Kramer修改)；爱因斯坦、Indri等开发的经典理论临界底流速度(起动速度)理论。

基于这些理论，Meyer-Peter and Muller、Engelund-Hansen等开发了床沙经验公式。

丁坝冲刷及整流桩防护措施研究

１２丁坝局部冲刷．
黄河丁坝建于沙质河床之上，河床抗冲性差丁坝附近水
流一方面将床沙冲起，使坝头附近冲刷坑逐渐扩大；一方面产生横向及纵向不平衡输沙，在坝后回流区及下游产生淤积。试验初期可以看到，附近床面泥沙被涡旋水流带至水面，坝头而后向下游输移的现象。冲刷坑的发展过程是由快而缓，最终达到平衡状态。稳定后的冲刷坑呈现出不对称的形态。深点位于坝头坝最轴线附近，高程３。最大冲刷坑水深２．。最深点上游部ｍ０５ｍ
（黄河水利科学研究院，南郑州４００）河５０３
摘
要：通过丁坝局部模型试验，进一步研究了丁坝冲刷机理。在此基础上，针对丁坝防护问题，了在丁坝坝体布议提出
整流桩这样一种新！的防护措施。相应的模型试验结果表明，ｌ！！整流桩可有效改善丁坝坝头局部水流结陶，进而使丁坝坝头冲刷坑深度减小，最大冲刷部位发生偏离国家自然科学基金委员会、黄委黄河联合研究基
金资助项目（０３００。５３９２）
作者简介：张傻华（９４）女，南西华人，１５一，河高级工程师（教
授级）博士，，主要从事河流力学研究工作。
维普资讯
近水位及流场变化的观测结果为：
边壁呈３。Ｏ夹角，当于黄河下游下挑式丁坝，相坝根与水槽边壁
连接。收稿日期：０６００２０ —１＂９
（）１由于丁坝的阻水作用。因此坝体上游水位壅高，纵向水
面线呈下凹形曲线。（）２水流在丁坝上游中部发生分离，部分水流下潜，水流压缩和绕流形态非常明显。坝头上游侧水流集中，接近坝头水流

潮汐河段挡沙堤平面形态对水流影响数值模拟研究

格二维潮流数学模型，分析了不同挡沙堤形态对堤头流场、流和水位变化影响特性。究结果表明，横研随着堤长增大，挑流作用不断增强。合理控制堤长。头形态变化可以起到优化流场、缓横流的作用。其应堤减
工程区水位变化最明显为涨落急时刻，最明显区域为堤身外侧靠近坝根处。关键词：潮汐河段；挡沙堤；数值计算
中图分类号：３．３０２２１Ｐ７１；４．２文献标识码：Ａ文章编号：０５８４（０１０－０３０１０ —４３２１）１０３— ５
窦峰，张玮，陈恺，余珍
（海大学港口海岸与近海Ｓ程学院，河－南京２０９）１０８
摘要：以海门新江海河挖入式港池挡沙堤工程为研究对象，采用有限体积方法，立了三角形非结构网建
平面布置形态对航道横流、流场和水位变化的影响。
本工程位于长江徐六泾河段，近北支，靠地形多变，沙条件复杂，用三角形非结构网格可以满足边水采界拟合和局部加密要求。型上游边界至天生港，游边界南至杨林、至青龙港，以实测潮位资料提供，模下北均局部网格尺寸为５ｍ
一
般情况下，初值通过估算给出，与实际值并不致，即使初值有一定误差，计算过程中也将会随在
着时间而逐渐消失。

Delft3D模型的应用情况研究初稿【范本模板】

Delft3D模型的应用情况研究摘要：Delft3D 是由荷兰Delft 大学WL Delft Hydraulics 开发的一套功能强大的软件包，能够模拟二维和三维的水流、波浪、水质、生态、泥沙输移及床底地貌，以及各个过程之间的相互作用.该软件在国内外得到了广泛的应用,并在研究地形演变、咸潮上溯、环境评估、航道整治、洪水演进等方面获得了诸多令人满意的成果。

关键词：Delft3D；数值模拟;应用1.前言Delft3D 是由荷兰Delft 大学WL Delft Hydraulics 开发的一套功能强大的软件包，能够模拟二维和三维的水流、波浪、水质、生态、泥沙输移及床底地貌，以及各个过程之间的相互作用。

其核心模块为水动力模块（FLOW），共包括波浪模块（WAVE）、水质模块（WAQ）、颗粒跟踪模块（PART)、生态模块(ECO)、泥沙输移模块（SED）和床底地貌模块（MOR）等七大模块。

Delft3D软件的工作思路是,先利用网格生成工具(RGFGRID）、地形编辑工具（QUICKIN）生成网格和网格节点上的水深文件，再通过相应的模块来计算相应的水流问题，最后根据计算结果利用后处理工具（GPP 和QUICKPLOT）处理得到的数据.该软件在国内外得到了广泛的应用，并在研究地形演变、咸潮上溯、环境评估、航道整治、洪水演进等方面获得了诸多令人满意的成果。

2。

Delft3D模型介绍2.1模型概述Delft3D软件是由荷兰Delft水力学研究所研究开发的一套水流、泥沙、环境完全集成的计算机软件包，可用于海岸、内河、河口区域的三维计算.该软件具有灵活的框架，能模拟二维（水平或垂向）和三维的水流、波浪、水质、生态、泥沙输移和床底地貌，以及各个过程之间的相互作用。

它是目前世界上最先进的水动力—水质模型之一。

其主要特征是：所有子模块都具有高度的整合性和互操作性；能直接应用最新过程知识；采用最为友好的图形用户界面（GUI）。

淹没式丁坝群对河床变化影响的试验研究

上游倾斜的丁坝群在两岸进行交替设置，可以在河道内形成具有洼地和浅滩的河床，对改善城市河流生态环境具有现实
意义。
关
键
词：河床变动；流态；方向角；淹没式丁坝
中图分类号：Ｔ１１Ｖ３
文献标识码：Ａ
ｄｉ１．９９ｊｉｎ１０ｏ０３６／．ｓ．００—１７．０００．０ｓ３９２１．３０８
后加数字１４组设置时在方案名后加数字４共有６种方案。，，试验时的水深利用试验水槽末端的低堰调节，使得距水槽
基金项目：教育部回国人员科研基金启动项目；０７年深圳市科技计３项目２０ｔ＇Ｊ
（０７９。２０３）
作者简介：刘建（９５）男，１６一，河南封丘人，副教授，士，究方向为环境工博研程、水利工程、风力发电工程和项目管理。
收稿日期：０９０－１２０ — ４２
别设置在＝、５ｍ处，０１０ｃ左岸两组分别设置在＝７、２ｍ５２５ｃ处。丁坝群的设置方案见图１单组设置时仅有右岸的第一组。，根据方向角的不同，方案名称分别为与河岸成９。０角的方案Ａ、向上游倾斜（与下游岸边的交角为１５）３。的方案Ｂ及向下游倾斜（与下游岸边的交角为４。的方案Ｃ５）。单组设置时８０）．广１０９
摘
要：通过水槽试验研究了淹没式丁坝群对河床变化的影响。结果表明：丁坝群的方向角对河床的变化有较大的影

MS31水动力学(负责人邵雪明、卢东强、彭晓星、王本龙)

MS31 水动力学（负责人：邵雪明、卢东强、彭晓星、王本龙）
8月27日下午地点：4层401
8月28日下午地点：4层401
8月28日下午地点：4层401
时间编号报告题目
报告人单位主持人
16:30 MS31-2599-O 基于OpenFOAM-PETSc 高效数值求解方法下3D 飞翼式UGs 的benchMark 及应用
马永洁广州大学袁学锋 16:40 MS31-0982-O 布局方式对双翼片行波获能特性影响的研究麻启宇上海理工大学 16:50 MS31-1072-O 平面剪切来流作用下串列布置三圆柱体流固耦合特性分析
涂佳黄湘潭大学 17:00 MS31-1866-O A study on the flapping-foil based ocean energy harvester in density-stratified flow
Prabal Kandel
浙江大学
17:10 MS31-2465-O Near-trapping 现象对阵列波浪能装置提取功率的影响何盼盼大连理工大学 17:20 MS31-2509-O 多相流体力学实验水洞蜂窝器的结构设计及实验研究孙康福河北工业大学邵雪明
17:30 MS31-2603-O 基于开源平台高效智能仿真优化系统的研究曹绪祥广州大学 17:40 MS31-3439-O 流体黏性对受迫振荡水平圆柱受力的影响研究毛鸿飞广东海洋大学 17:50 18:00
MS31-1251-O
均匀来流中并列反转柔性薄板拍动的数值研究
贾
康北京航空航天大学
墙报 8月27日下午和8月28日下午地点：3层序厅。

弯曲型及顺直型河道水流三维数值模拟

弯曲型及顺直型河道水流三维数值模拟陈翠霞;张小峰;冯向珍;雷恬恬【摘要】采用标准k-ε模型、RNG k-ε模型、可实现k-ε模型和Reynolds应力模型共4种紊流模型,对梯形断面连续弯道三维水流运动特性进行了数值模拟.从水面线、水流流速、紊动结构及分布特性等方面,比较了4种紊流模型计算结果与实测值的差别.结果表明,Reynolds应力模型由于考虑了水流紊动黏度的各向异性效应,对弯道水流运动特性的模拟精度高于其他3种k-ε模型.进一步采用Reynolds 应力模型对连续弯道对应的同长度、同断面型态的顺直河槽进行计算,用实测值验证了Reynolds应力模型也能较好地适用于顺直河槽的水流运动模拟.研究成果可用于弯曲型及顺直型河道水流的三维模拟计算中.【期刊名称】《华北水利水电学院学报》【年(卷),期】2018(039)006【总页数】7页(P84-90)【关键词】连续弯道;顺直河槽;紊流模型;数值模拟【作者】陈翠霞;张小峰;冯向珍;雷恬恬【作者单位】黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州450003;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072;黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州450003;华北水利水电大学,河南郑州450045【正文语种】中文【中图分类】TV13弯曲型及顺直型河道的水流运动特性研究具有重要的意义。

顺直型河道是最简单、最基本的河型,有其独特的运动规律。

然而自然界中的河流几乎都是弯曲的,弯道水流在重力及离心力的共同作用下,具有明显的三维紊动性[1]。

弯道水流存在的横向环流,对泥沙横向输移及河道冲淤有重要的影响。

国内外诸多学者对弯曲型及顺直型河道的水流运动特性进行了大量的研究[2-13],促进了河道泥沙运动理论的发展,对防洪、航运、港口等工程的兴建有重要的参考价值。

目前，紊流模型己被广泛应用到流体计算中,其中k-ε模型由于其高效和高精度的特点使用最为普遍[13-16]。

耦合VOF的非线性k-ε模型三维溃坝数值模拟

耦合VOF的非线性k-ε模型三维溃坝数值模拟丁伟业;金生;艾丛芳【摘要】溃坝是一种伴随有巨大破坏力的灾害性的水流现象.三维溃坝的数值模拟能够为溃坝水流的研究分析提供科学的依据.针对瞬间全溃模型水流的复杂性,考虑水库下游障碍物的滞水及阻水作用,利用开源程序OpenFOAM建立了耦合VOF对流方程的三维非线性(NL)k-ε紊流数学模型求解雷诺时均纳维斯托克斯方程.采用有限体积法进行离散,利用PISO算法进行数值求解.通过模拟下游为三角形障碍物、矩形障碍物以及90°弯道的溃坝实验,并将模拟结果与实验结果进行对比分析,初步证明了该模型的准确性和鲁棒性.%Dam break is a kind of disastrous water phenomenon with great destructive power.3-D numerical model can provide scientific basis for dam-break flow research and analysis.In view of the complexity of the instan-taneous total dam-break flow model, considering the stagnant water and water blocking of the obstacle in the down-stream of the reservoir, a 3-D NLk-ε turbulence model coupled with the VOF method in OpenFOAM was estab-lished to solve the Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations.The PISO algorithm was utilized for the pressure-velocity coupling and the equations were discretized using the finite volume method.The accuracy and robustness of the model has been tested comparing with the laboratory experiments of dam-break flow over a triangle obstacle, rectangle obstacle and 90 degree channel in this paper.【期刊名称】《水道港口》【年(卷),期】2017(038)005【总页数】6页(P489-494)【关键词】VOF法;NLk-ε模型;溃坝;OpenFOAM;三维数值模拟【作者】丁伟业;金生;艾丛芳【作者单位】大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,大连116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,大连116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,大连116024【正文语种】中文【中图分类】TV1222016年1月14日11时许，湖北省恩施龙凤镇三河村白庙突发堰塞湖溃坝事故。

丹江口水库三维水动力模拟研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＤａｎｊｉａｎｇｋｏｕＲｅｓｅｒｖｏｉｒｉｓｔｈｅｃｏｒｅｗａｔｅｒｓｏｕｒｃｅｆｏｒｔｈｅＭｉｄｄｌｅＲｏｕｔｅｏｆｔｈｅＳｏｕｔｈ⁃ＮｏｒｔｈＷａｔｅｒＤｉｖｅｒｓｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔ，ｗｈｉｃｈｈａｓｉｍｐｏｒ⁃ ｔａｎｔｓｔｒａｔｅｇｉｃｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅａｎｄｕｎｉｑｕｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｔｈｒｅｅ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｃｅｓｓｏｆＤａｎｊｉａｎｇｋｏｕＲｅｓｅｒｖｏｉｒ，ｌｅａｒｎｔｈｅｃｈａｎｇｉｎｇｒｕｌｅｓｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｌｅｍｅｎｔｓｓｕｃｈａｓｗａｔｅｒｌｅｖｅｌ，ｗａｔｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｓｅｒｖｅＤａｎｊｉａｎｇｋｏｕＲｅｓｅｒｖｏｉｒｍａｎ⁃ ａｇｅｍｅｎｔａｎｄｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｔｈｒｅｅ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓＣｏｄｅ（ＥＦＤＣ）．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｉｔｐｅｒｆｏｒｍｅｄａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｗａｔｅｒｌｅｖｅｌａｎｄｆｌｏｗｆｉｅｌｄ，ｗａｔｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆＤａｎｊｉａｎｇｋｏｕＲｅｓｅｒｖｏｉｒｉｎ２０１２，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｗａｔｅｒｌｅｖｅｌａｎｄｗａｔｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｅｒｅｉｎｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｏｂｓｅｒｖｅｄｖａｌｕｅｓ，ｗｈｉｃｈｓｈｏｗｅｄｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｓｔｒｏｎｇａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ．Ａｓｓｈｏｗｎ，ｔｈｅｗａｔｅｒｌｅｖｅｌｉｎｆｒｏｎｔｏｆＤａｎｊｉａｎｇｋｏｕＤａｍｃｈａｎｇｅｄｇｒｅａｔｌｙｉｎ２０１２；ＤａｎｊｉａｎｇｋｏｕＲｅｓｅｒｖｉｏｒ’ ｓｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆｗａｔｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｗａｓｍｏｓｔｏｂｖｉｏｕｓｉｎｓｕｍｍｅｒｂｕｔｗｅａｋｅｎｅｄｉｎｓｐｒｉｎｇａｎｄａｕｔｕｍｎ，ａｎｄｄｉｓａｐｐｅａｒｅｄｉｎｗｉｎｔｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＥＦＤＣ；ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ；ｗａｔｅｒｌｅｖｅｌ；ｗａｔｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ＤａｎｊｉａｎｇｋｏｕＲｅｓｅｒ江口水库是南水北调中线工程的核心水源区，具有重要的战略意义及独特的生态结构。为了模拟丹江口水库三维水动力过程，掌握水位、水温等水力要素的变化规律，服务于丹江口水库管理和水质模拟，采用环境流体动力学模型（ＥＦＤＣ）建立丹江口水库三维水动力模型，对丹江口水库２０１２年水位及流场、水温进行模拟，并将水位和水温模拟值与实测值进行对比，发现两者较为接近，表明丹江口水库三维水动力模型精度较高，适用性强。由模型模拟结果可知，丹江口水库２０１２年坝前水位变化较大，而水库水温分层现象在夏季最为明显，春秋季减弱，冬季基本丧失。关键词：ＥＦＤＣ；水动力；水位；水温；丹江口水库中图分类号：Ｘ１４３文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０１８．０３．０２７

底部薄板附近的水流及泥沙运动特性

等Ｌ，ａａｒ６Ｏｓａｊｄ和Ｓｏｊｉ７，ｄａｒｐｌｒｊＯｇａａｃＬｄ和Ｍ０ｃｎ，ｄａ￣和Ｗａｇ９１Ｍｒｉｓ０ｊＯｓａｎ［一０，ａｅｕｌｓ和Ｓｈ卜１Ｂｕｙ和ｉ２，ｈｉｎｎａ
Ｈｅｙｙ¨
，
以及笔者等
５＿对其水力和导沙控沙特性进行了大量理论与实验研究。在中国台湾，ｕｎ和Ｈａｇ
度、与水流不同夹角的安装方向等情况下，单个底部薄板附近的水流结构、泥沙运动规律、部薄板的导底沙特性及其附近的冲淤现象，以及底部薄板群体的导沙特性。试验结果表明，实验使用的薄板的长度对实验结果影响很大，过短的薄板实验根本观察不到薄板前冲刷沟内的沙波运动，而该沙波运动严重影响薄板的导沙效应。底部薄板附近的水流结构具有强烈的三维特性，场复杂，流对于一定的薄板，流夹水角、沙波的运动是影响薄板的导流导沙促淤的主要因素。关键词：部导流式薄板；底泥沙淤积；沙波；水流
第２卷第３７期
１实验设备
实验工作是在新加坡南洋理工大学完成。实验所用的水槽如图１示，蓄水池、组水泵、壁所有两薄堰、水槽、和尾门等组成。水槽的宽度６ｍ，效程度有
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第２７卷第３期
２０年６月０６
水
道港
Ｖｏ．７Ｎｏ．１２３
ＪｕａｆａｅｗａｎｒｏｒｏｒｌｔｒｙａｄＨａｂｕｎｏＷ

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(13)
由此可给出自由水面以下单元速度和压强的边界条件自由水面以上单元的速度等于自由水面处的速度自由水面以上单元的压强由自由水面处压强为大气压强及自由水面以上压能和位能为常数来确定即可得到自由水面单元以上边界条件为
u
1 i + , j , k +1 2
= us 1 ,
i+ , j 2
(14)
[ ]
(2)
式中
p
ρ
t
,p为压强
为水的密度 u为滤波后得到的 l=1,2,3
大尺度速度
g为重力加速度
为涡黏性系数
涡黏性系数采用Smagorinsky模型
vt=(fCS 式中 CS为系数对于明渠流一般取CS=0.1 z分别为x y
)|S| 的计算采用文献[7]的计算方法
(3)
S = 2 S lm S lm
水利学报
2004 年 8 月文章编号: 0559-9350 (2004) 08-0046-08 SHUILI XUEBAO 第8期
非淹没丁坝附近三维水流运动特性的研究
周宜林1
(1.河海大学水利水电工程学院
道上正规2
桧谷治2
日本国鸟取市 680-8552)
江苏南京 210098
2.鸟取大学土木工程系
式中
(6)
~ 为速度中间值 u l
计算n+1时间步长的速度和压强计算方程写作
3
第二步
水利学报
2004 年 8 月 SHUILI XUEBAO 第8期
(u ) (P )
式中 N为迭代次数计算顺序为程3 稳定为系数
n +1 N +1 l
~ −u l
∆t
n +1 N +1
3 δ P n +1 =− δx l 2
s
XUEBAO
第8期
式中
h为自由水面高程 u
v
s
w 分别为自由水面纵向即 Ps=Pa
s
横向
垂向速度
自由水面处的压强等于大气压强
式中 Ps为自由水面处压强 Pa为大气压强 1.2 数值方法 1.2.1 大涡模拟方程本文的计算网格为交错网格速度分量u v w位于单元表面中心压强P位于单元中心(见图1) 差分方程具有守恒特征控制体的选择取决于所考虑的方程对于连续方程控制体中心位于点(i,j,k) x方向动量方程的控制体中心位于点 i + y方向动量方程的控制体中心位于点
∂u l =0 ∂xl
动量方程
(1)
∂u l ∂ (u l u m ) ∂P ∂ [2(v + vt )S lm ] + = gl − + ∂t ∂x m ∂xl ∂x m S lm = 1 ∂u l ∂u m + 2 ∂x m ∂xl
(单位质量)水体压强 P = 为清水运动黏滞系数
对丁坝水流数值模拟结果进行分析
自由水面确定方法比原来的MAC方法更准确固体壁面处流速按照无滑移边界条件给出面高程边界条件确定如图3所示计算公式为自由水
ho = 3(h1 − h2 ) + h3
(17)
图3 自由水面高程边界条件
由于计算程序中增加了直角坐标网格自动生成功能对于自由水面变化较大的阶段每计算一步根据给定的固体边界条件和自由水面位置采用网格自动生成程序(在计算领域内生成单元)并对单元属性进行划分确定单元为固体边界单元空气单元或水体单元数值模拟计算中仅对水体单元按照大涡模拟方程进行求解
图2 截面j处自由水面速度和压强边界
u s 1 = 0.5(1 + cu )cu u
i+ , j 2
1 i + , j ,k −2 2
− (2 + cu )cu u
1 i + , j , k −1 2
+ 0.5(2 + cu )(1 + cu )u
1 i + , j ,k 2
(11)
wis, j = 0.5(1 + cw )cw w
H
式中:n为差分时间步长
n l
δ (u l u m ) δτ lm = − + + gl δx m δx m
lm
n
为差分算子
=2(
+
t
)Slm
采用二阶精度的方法计算速度时间积分为
~ − un 3 u 1 1 δP n l l = H ln − H ln −1 + , ∆t 2 2 2 δx l
(
)
(
)
(9)
其中自由水面速度
根据1.2.1节得到的速度场插值确定
计算方法见1.2.3节
对于时间积分采用Adams-Bashforth方法计算n+1 时间步长的自由水面高程
1 n n +1 n hin, + j = hi , j + ∆t 1.5Gi , j − 0.5Gi , j .
(
)
(10)
n +1 N
(
)
N +1
(7)
= P
(
)
u ln +1 − β δx l
N
(8)
由式(8)计算流场中各点压强
由式(7)计算流场中各点速度当β <
重复
计算过
4次直至前后2次计算误差较小为止由Von Neumann傅立叶分析可知
∆x 2 时式(8)计算 9∆t
1.2.2 自由水面运动方程丁坝附近自由水面波动非常大自由水面运动方程具有非线性特征如果数值精度较低数值方法将会不稳定本文中自由水面运动方程求解方法为有限差分近似空间项采用中心差分格式时间项为二阶差分格式式(5)右边可写作
非淹没丁坝对水流运动影响较大 Nhomakorabea式的丁坝对水流的影响差别不大相对而言大涡模拟 TV863 交错网格中图分类号文献标识码
下挑丁坝对坝头防护效果较好自由水面
随着对河流特性认识的深入人们已经采用各种措施治理河流其中沿河(两岸)设置丁坝是一种传统的和比较有效的治河方法丁坝主要用于护岸导流维护航道等非淹没丁坝在国内外河流中有较多的具体应用尤其在黄河中游为了保护河岸和控制河势沿河两岸布置了很多组丁坝群在长江口几十公里的河段内为了增大航深设置了非淹没丁坝在美国密西西比河采用丁坝对河道进行整治在日本许多中小河流上均设有丁坝丁坝设置后丁坝附近水流运动特性将发生变化由此必将引起丁坝附近的局部冲刷和淤积影响主流位置和流向河道演变等丁坝附近水流具有三维特征副流明显存在丁坝附近的冲刷和淤积与水流的这种特征有关因此研究丁坝附近三维水流运动不仅可以搞清丁坝附近水流特征而且为河床演变分析(数值模拟)打下基础还可以为丁坝设计和施工提供依据目前已有一些二维三维雷诺湍流模型模拟丁坝附近水流运动在这些数学模型中一般采用雷诺平均的纳维埃斯托克斯方程(简称雷诺方程) 由于封闭雷诺方程的紊流模型很难建立大小尺度统一的模型且丁坝附近水流具有三维特征存在不同尺度的涡体所以雷诺方程较难得到与实验一致的流速分布 [1 2] [3 4] 其中零方程模型模拟结果与实验存在较大的差距二方程模型模拟结果虽接近实验结果但模型中参数众多计算复杂实际应用范围受到限制不管是零方程模型还是二方程模型显然三维数学模型比二维数学模型更能够反映实际情况提供更多和更准确的流动信息因而研究三维数学模型意义更大应用大涡模拟技术研究丁坝附近水流运动的成果较少大涡模拟是通过模化流场中中小尺度(涡体) 运动得到小尺度应力(subgrid-scale stress) 然后求解大尺度(涡体)运动因此从求解技术可行性来说大涡模拟是一种更加科学的数学模型本文即采用大涡模拟手段对非淹没丁坝水流特性进行研究文中给出数值计算方法并对数学模型进行了验证在此基础上比较了丁坝不同设置角度对水流运动特性的影响
1.2.3 边界条件自由水面以上单元速度和压强的边界条件确定思想是基于MAC方法定义自由水面上下单元的属性当水面以下速度场和自由水面位置确定后即可以确定自由水面处的速度自由水面处的速度计算按照二次拉格朗日(Lagrange)插值公式如对于自由水面速度单元(i,j)(见图2) 具体计算公式为
3
,a2=
2
/
3
,且
1
<
2
<
3
自由水面的确定是三维数学模型研究中一个重要内容自由水面边界条件包括运动边界条件和动力学边界条件自由水面位置的描述采用如下的自由水面运动方程
∂h ∂h ∂h , = ws − u s − vs ∂t ∂x ∂y
(5)
2
水利学报
2004 年 8 月 SHUILI
2 模型验证
2 . 1 试验及计算条件试验是在长18.0m 宽0.4m [10] 深0.4m的水槽中进行水槽底坡为1/2500 试验流 3 量为0.015m /s 相应均匀流水深为0.1m 床面摩阻流速为0.019m/s 在水槽中部设置长10cm 高10cm 厚 1.5cm不透水丁坝丁坝与水流方向夹角有3种分别为 60 (上挑) 90 (正挑) 120 (下挑) 试验观测段长200cm 丁坝位于x=100cm处(见图4) 流速观测仪器为激光多普勒流速仪计算网格尺寸 x= y= z=1cm 网格数为400 44 20
i, j,k −
3 2
− (2 + cw )cw w
i, j,k −
1 2
+ 0.5(2 + cw )(1 + cw )u