心滩守护工程对航道冲淤特性影响的数值模拟

为了改善航道条件,往往需通过航道整治工程来稳定心滩.此文建立了基于非结构三角形网格的平面二维水流泥沙数学模型,并与水槽模型实测值进行了率定验证.在此基础上,运用建立的数学模型对不同流量级下的两种不同类型的心滩守护工程进行了模拟研究.研究结果表明,软体排护滩带工程和鱼骨坝工程均可实现对心滩头部的守护和提高两侧航道的水深,但它们所引起的河床和建筑物的局部冲淤特性上存在差异.     

滑坡体溃决洪水数学模型研究

滑坡体溃决过程中泥沙运动非常活跃、滑坡体变形速度快,且与水流之间存在着强烈的相互作用.现有水沙数学模型为非耦合模型,在一定程度上忽略了其基本力学特征,难以准确地描述这类物理问题.本文建立二维水沙耦合数学模型,并采用修正的上扬通量公式来描述泥沙运动和滑坡体溃决过程.运用该模型研究了试验条件下上游水流漫顶和淹没过程中滑坡体溃决诱发的水沙变化规律,数值解与水槽试验数据基本一致.研究表明:现有基于恒定均匀条件的泥沙上扬通量公式并不直接适用于复杂水流条件下滑坡体溃决过程,需要进行更深入的研究;滑坡体溃决能够引发强非恒定流甚至激波,传统的对渐变流的数值计算方法难以准确地捕捉该现象,必须采用高性能数值格式;现有经验方法难以准确地计算坝址处流量过程,以此作为边界条件的传统溃坝洪水数学模型未必能够获得准确、可靠的结果.     

基于非结构网格的非恒定浅水二维有限体积数学模型研究

建立了基于非结构三角网格系统的非恒定浅水二维水流数学模型.基本控制方程采用浅水二维水流方程;采用能够有效捕捉激波的HLLC近似黎曼算子求解界面通量,并对界面变量进行数据重构,模型具有二阶精度:将地形高程定义在三角单元节点上,使得单元间地形连续变化,结合处理底坡的DFB(mvergence form for bed slope source term)方法,保证了模型的和谐性,使其能够有效地模拟不规则地形条件上干湿边界变化过程中的水流过程;采用了隐式方法处理阻力项,从而保证了模型的稳定性.最后,通过四个经典算例对模型进行了系统地检验.结果表明:此模型具有很好的和谐性和稳定性,能够有效、准确地模拟复杂地形情况下水流运动,显示了广阔的应用前景.     

强不规则地形上浅水二维流动的数值计算研究

浅水流动数值模拟技术取得了显著进步,已能够有效地捕捉激波,但是应用于强不规则地形时计算困难,其原因在于:陡峭坡面上水流重力作用对数值稳定性有重要影响.采用简单的算子分裂法,即使是时间步长满足CFL稳定性准则,也可能致使计算不稳定,或者要求远比CFL稳定性准则更加苛刻的时间步长,从而严重影响计算效率.本文建立对强不规则地形和一般地形条件均能保持高效率的浅水二维数学模型:基本控制方程采用二维浅水方程;在空间上采用能捕捉激波的WAF TVD二阶精度格式;在时间上采用三阶TVD龙格库塔法,并采用自适应步长满足数值稳定性要求.将该模型应用于冰湖溃决洪水的模拟,试验结果表明:该文模型从本质上解除了强不规则地形对时间步长的约束,与现有数学模型相比,计算效率达到数量级上的提高,为强不规则地形上浅水二维流动数值模型的广泛应用(如高原与山丘区溃坝洪水数值预报等)提供了新的技术基础.