二維水流數(shù)學(xué)模型在涉水工程中數(shù)值模擬

數(shù)學(xué)模型是防洪評(píng)價(jià)的一種重要技術(shù)手段。介紹了二維水流數(shù)學(xué)模型的基本原理以及二維水流數(shù)學(xué)模型在廣西梧州市塘源綜合碼頭防洪評(píng)價(jià)中的應(yīng)用實(shí)例。結(jié)果表明:碼頭建成后,工程區(qū)上游約1.7km至工程區(qū)下游約1.1km范圍內(nèi)流場發(fā)生了變化,但變化幅度較小,在各頻率洪水條件下,流速最大增加值與減小值均不超過0.1m/s,且分布在工程所在位置附近,說明工程對(duì)所在河道總體河勢穩(wěn)定影響不大。

曹娥江至寧波引水工程作為浙東引水工程的重要組成部分,與大厙和通明船閘的運(yùn)行關(guān)系密切,存在引水水流對(duì)航運(yùn)條件的影響,為此建立引水工程平面二維水流動(dòng)力數(shù)學(xué)模型,并用大厙引水工程1∶50模型試驗(yàn)資料對(duì)引水工程方案進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證和優(yōu)化。結(jié)果表明:通明引水工程一期和二期上下游橫向流速、縱向流速和回流流速都能滿足通航設(shè)計(jì)規(guī)范,工程的建設(shè)對(duì)通航影響不大,設(shè)計(jì)方案是合理的;在引水工程的進(jìn)、出口橫向流速最大,過往船只需注意即可。

二維水流數(shù)學(xué)模型作為一種先進(jìn)的工具,可為工程研究提供更豐富、更精確的信息,在港口、河道治理等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。本文采用二維水流數(shù)學(xué)模型分析了鷹潭信江特大橋興建后對(duì)工程河段行洪及流場的影響,為橋梁防洪影響評(píng)價(jià)提供了科學(xué)的決策依據(jù)。

根據(jù)江蘇灌河(鹽城與連云港兩市交界河)天然潮汐河道特點(diǎn),結(jié)合船舶修造行業(yè)舾裝碼頭建設(shè)要求,采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型,對(duì)擬建碼頭處的潮位、流速、潮形等水力因素,利用上下游實(shí)測資料進(jìn)行求解和率定,通過分析和計(jì)算,能夠更加準(zhǔn)確地反映碼頭等涉水構(gòu)筑物產(chǎn)生的壅水影響及潮流場變化情況,為科學(xué)合理地評(píng)價(jià)船舶修造項(xiàng)目的行洪影響提供依據(jù)。

運(yùn)用沿平均水深平面二維淺水方程,采用貼體正交曲線坐標(biāo),建立水流數(shù)學(xué)模型,模擬了重慶寸灘三期工程河段水流條件并根據(jù)實(shí)測資料進(jìn)行流速流向過程、流速分布的驗(yàn)證,計(jì)算結(jié)果表明,二維淺水方程能較好地模擬工程河段河道水流流場。

規(guī)劃中的四川江安長江第二過江公路橋采用鉆石形串排圓柱型主塔，為了研究其主塔橋墩對(duì)該橋區(qū)河段各通航水力要素的影響程度，通過建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型，模擬該河段方案實(shí)施前后的水流流場，從工程應(yīng)用的角度分析串列圓柱橋墩對(duì)河段水流條件的影響。分析數(shù)模仿真結(jié)果得知：在各級(jí)流量下橋區(qū)河段水位、流速在工程實(shí)施前后變化較小，橋軸線橫向流速較小，橋梁的建設(shè)對(duì)通航水流條件影響較小，不會(huì)對(duì)船舶安全通過橋區(qū)產(chǎn)生影響。

依據(jù)《防洪法》等有關(guān)規(guī)定,對(duì)河道管理范圍內(nèi)的建設(shè)項(xiàng)目和位于河流影響范圍內(nèi)的重要建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)進(jìn)行防洪影響評(píng)價(jià),重要的防洪工程應(yīng)運(yùn)用數(shù)學(xué)模型分析計(jì)算。選用數(shù)學(xué)模型時(shí),可根據(jù)實(shí)際情況,在滿足工程實(shí)際的需要條件下,適當(dāng)?shù)倪x用一維或二維數(shù)學(xué)模型。本文運(yùn)用二維數(shù)學(xué)模型對(duì)吉林油田新民采油廠擬在河道灘地內(nèi)新建油井工程進(jìn)行壅水計(jì)算,并采用經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行校核。結(jié)果表明:對(duì)于河道內(nèi)復(fù)雜地形及建筑物的防洪評(píng)價(jià)壅水計(jì)算,相比二維模型計(jì)算結(jié)果,經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果偏小,采用二維模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行防洪評(píng)價(jià),結(jié)論更安全、可靠。

通過考慮社區(qū)和樓房內(nèi)部的容水性,引入侵入水量的概念,建立了能夠模擬建筑物密集城區(qū)潰堤水流運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。該模型采用有限體積法對(duì)淺水方程進(jìn)行非結(jié)構(gòu)離散,通過roe格式計(jì)算界面數(shù)值通量,給出了侵入水量的合理估算方法。通過物理模型的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。最后應(yīng)用該模型對(duì)哈爾濱市可能發(fā)生的潰堤洪水進(jìn)行模擬,計(jì)算結(jié)果表明,該模型能較好地模擬潰堤洪水在城區(qū)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程,侵入系數(shù)的變化對(duì)計(jì)算結(jié)果有比較明顯的影響。

二維潮流數(shù)值水槽的樁群數(shù)值模擬——為了研究二維潮流數(shù)值模擬中樁基的影響，導(dǎo)出了二維潮流樁基數(shù)?？刂品匠探M，建立了樁基的二維潮流數(shù)值水槽，利用物模試驗(yàn)得出的樁基摩阻系數(shù)和樁基附加糙率，并經(jīng)水深修正后，對(duì)洋山港一期工程樁基碼頭的潮流情況進(jìn)行了模擬...

利用一、二維數(shù)學(xué)模型來研究某大橋的建設(shè)對(duì)富春江水域的影響,一維動(dòng)床數(shù)學(xué)模型為二維定床模型提供下邊界。結(jié)果表明,該方法能在計(jì)算中考慮閘口以下錢塘江水域洪水期間的河床變化,同時(shí)有效節(jié)省計(jì)算時(shí)間。利用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的平面二維定床數(shù)學(xué)模型,能較準(zhǔn)確模擬橋墩形狀以及兩岸岸線情況,橋梁工程的建設(shè)對(duì)富春江水域的影響主要發(fā)生在橋位附近,橋墩上游局部雍水,橋墩之間流速增大,建橋引起的河床沖淤變化基本在橋墩附近,離橋位越遠(yuǎn)影響越小。

在對(duì)mike21二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡單介紹的基礎(chǔ)上，應(yīng)用mike21水動(dòng)力模塊對(duì)擬建橋梁附近河段進(jìn)行三角形網(wǎng)格剖分，建立河道二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，對(duì)河道流場及圓橋墩局部繞流進(jìn)行數(shù)值模擬，得出建橋前后河道流場變化，從而分析橋墩對(duì)河道流場的影響，分析結(jié)果可作為橋梁布置重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。

建立了基于有限體積法的平面二維非恒定流數(shù)學(xué)模型,采用黎曼近似解通量差分裂(fds)格式計(jì)算通過各單元邊的水流法向數(shù)值通量,并應(yīng)用相關(guān)的懸移質(zhì)、推移質(zhì)河床變形計(jì)算公式計(jì)算沖淤變化。模型應(yīng)用于浙江省49省道溫溪至鶴城段改建工程河道水流狀況的模擬,結(jié)果表明工程修建后工程段的中間部位以上以及外側(cè)附近水位略有壅高,最大壅高值0.03m;工程區(qū)附近流速減緩、靠近河道中央流速略微增大,最大增幅約0.12m/s,河道沖淤幅度在0.3m以內(nèi)。

建立寬淺河道與管道水流的二、三維嵌套的數(shù)學(xué)模型,對(duì)基本的控制方程、方程的數(shù)值離散格式和求解方法、嵌套連接和初始邊界條件等問題進(jìn)行研究。利用上述方法對(duì)某工程實(shí)例進(jìn)行計(jì)算,在寬廣水域上給出了水力要素的平面分布,在復(fù)雜邊界強(qiáng)三維流動(dòng)的計(jì)算區(qū)域得到其三維運(yùn)動(dòng)特性。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行了比較,兩者吻合較好,說明嵌套連接的二、三維數(shù)學(xué)模型是解決某些實(shí)際工程問題的一種可靠的和有效的工具。

文中將一維、二維模型的待求變量用邊界水位的線性方程表示,在一、二維模型連接斷面處,利用節(jié)點(diǎn)處流量守恒條件,實(shí)現(xiàn)一、二維模型的耦合。以大港獨(dú)流減河為例,采用該耦合模型分析了鉆井平臺(tái)對(duì)河道水流的影響,模擬結(jié)果表明該模型設(shè)計(jì)合理,具有一定可靠性和實(shí)用性,可用于防洪評(píng)價(jià)中工程建設(shè)項(xiàng)目對(duì)水流的影響分析。

本文以橫沙東灘促淤圈圍（四期）工程為例，采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型，根據(jù)工程的總平面布置，結(jié)合工程的特點(diǎn)和難點(diǎn)，分析不同施工順序下各堤段水動(dòng)力條件的變化情況，從而制定出對(duì)各堤段及周邊水域影響最小的工程施工順序，為工程的順利實(shí)施提供技術(shù)支撐，同時(shí)也為類似中低灘促淤工程提供參考。

采用河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型,對(duì)襄樊河段水流運(yùn)動(dòng)以及襄樊電廠二期工程大件碼頭和取水口工程對(duì)防洪的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。結(jié)果表明:工程修建后上游河段最大壅水高度約0.02m,最大壅水長度約為630m,水流流態(tài)及水流流速分布無明顯變化,對(duì)防洪影響不大。

數(shù)學(xué)模型是防洪評(píng)價(jià)的一個(gè)重要技術(shù)手段。介紹了廣州水道某碼頭工程局部水域平面二維水沙數(shù)學(xué)模型的建立和驗(yàn)證及實(shí)際應(yīng)用效果,結(jié)果表明,模型能較好地模擬工程附近水流泥沙運(yùn)動(dòng)以及河床沖淤變化規(guī)律,為預(yù)測分析工程建設(shè)對(duì)河道河床沖淤演變影響以及量化分析提供了一種手段和途徑。

針對(duì)單純使用一維或二維數(shù)學(xué)模型難以準(zhǔn)確高效模擬大型涉水工程對(duì)水域影響的問題,通過利用一、二維聯(lián)解潮流數(shù)學(xué)模型,在珠江口某港區(qū)碼頭工程附近使用二維模型,對(duì)該區(qū)域流場和流速變化范圍進(jìn)行模擬,其余水域采用一維模型模擬。結(jié)果表明,工程對(duì)珠江東四口門及工程周邊水域水位、流速、河道潮量及分流比、潮排、潮灌、排澇等影響不大。結(jié)論認(rèn)為,一、二維數(shù)學(xué)模型聯(lián)解計(jì)算可以用于大型工程,尤其是海域內(nèi)大型工程的防洪評(píng)價(jià)計(jì)算,并能夠得出較為可靠的計(jì)算結(jié)果。

通過建立的基于有限體積法的平面二維非恒定流數(shù)學(xué)模型,對(duì)馬家咀航道整治一期工程建設(shè)前后的河道水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)果表明:工程建設(shè)前后工程河段水位變化較小,工程附近河段水流流態(tài)及水流流速分布無明顯變化。研究建立的二維水流數(shù)學(xué)模型可準(zhǔn)確模擬工程河段水流運(yùn)動(dòng),能在防洪影響評(píng)價(jià)中對(duì)工程前后河道水流、水位變化變提供較為可靠的依據(jù),具有實(shí)用價(jià)值。

在邊界擬合曲線坐標(biāo)系下,運(yùn)用b型交錯(cuò)網(wǎng)格模式和動(dòng)邊界掃描技術(shù)建立了基于連通域的二維水流數(shù)學(xué)模型,并提出了模型中有關(guān)參數(shù)的處理方法。采用貼體坐標(biāo)變換將復(fù)雜的物理域變換成規(guī)則的計(jì)算域,在計(jì)算域上采用控制容積法離散方程,應(yīng)用simplec算法計(jì)算速度-壓力耦合。研究結(jié)果表明:采用控制容積法和simplec算法離散求解方程,具有良好的守恒性和穩(wěn)定性;該模型能夠較準(zhǔn)確地模擬連通域河段的流場變化、水位變化等過程,可供實(shí)際工程應(yīng)用。

與順直明渠水流相比,明渠交匯水流由于存在分離區(qū)和自由剪切面,其紊動(dòng)特性引起的阻力較為復(fù)雜,交匯水流除床面阻力外還受到較強(qiáng)的阻力?；跀?shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)比較分析表明,分離流與自由剪切流所產(chǎn)生的阻力(紊動(dòng)粘性阻力)對(duì)于交匯水流數(shù)值模擬具有重要影響。同時(shí),由于平面二維模型對(duì)二次流影響的忽略,斷面環(huán)流較強(qiáng)時(shí)數(shù)值模擬會(huì)產(chǎn)生較大的阻力(環(huán)流阻力),而斷面環(huán)流較弱時(shí),交匯水流的三維特性相對(duì)較弱,采用平面二維模型和k-ε紊流模型能達(dá)到較好的模擬效果。因此,紊動(dòng)及環(huán)流阻力的計(jì)算對(duì)交匯水流數(shù)值模擬的精度至關(guān)重要。

從平面二維水動(dòng)力學(xué)方程組出發(fā),根據(jù)有限元galerkin加權(quán)余量法離散模型方程組,并利用newton-raph-son迭代法求解,成功地模擬了重慶雙碑嘉陵江大橋橋區(qū)河道水流流場.經(jīng)綜合分析,得出大橋的建設(shè)對(duì)通航水流的影響很小.