二维水流数学模型在涉水工程中数值模拟

数学模型是防洪评价的一种重要技术手段。介绍了二维水流数学模型的基本原理以及二维水流数学模型在广西梧州市塘源综合码头防洪评价中的应用实例。结果表明:码头建成后,工程区上游约1.7km至工程区下游约1.1km范围内流场发生了变化,但变化幅度较小,在各频率洪水条件下,流速最大增加值与减小值均不超过0.1m/s,且分布在工程所在位置附近,说明工程对所在河道总体河势稳定影响不大。

曹娥江至宁波引水工程作为浙东引水工程的重要组成部分,与大厍和通明船闸的运行关系密切,存在引水水流对航运条件的影响,为此建立引水工程平面二维水流动力数学模型,并用大厍引水工程1∶50模型试验资料对引水工程方案进行对比验证和优化。结果表明:通明引水工程一期和二期上下游横向流速、纵向流速和回流流速都能满足通航设计规范,工程的建设对通航影响不大,设计方案是合理的;在引水工程的进、出口横向流速最大,过往船只需注意即可。

二维水流数学模型作为一种先进的工具,可为工程研究提供更丰富、更精确的信息,在港口、河道治理等领域均有广泛应用。本文采用二维水流数学模型分析了鹰潭信江特大桥兴建后对工程河段行洪及流场的影响,为桥梁防洪影响评价提供了科学的决策依据。

根据江苏灌河(盐城与连云港两市交界河)天然潮汐河道特点,结合船舶修造行业舾装码头建设要求,采用平面二维水流数学模型,对拟建码头处的潮位、流速、潮形等水力因素,利用上下游实测资料进行求解和率定,通过分析和计算,能够更加准确地反映码头等涉水构筑物产生的壅水影响及潮流场变化情况,为科学合理地评价船舶修造项目的行洪影响提供依据。

运用沿平均水深平面二维浅水方程,采用贴体正交曲线坐标,建立水流数学模型,模拟了重庆寸滩三期工程河段水流条件并根据实测资料进行流速流向过程、流速分布的验证,计算结果表明,二维浅水方程能较好地模拟工程河段河道水流流场。

规划中的四川江安长江第二过江公路桥采用钻石形串排圆柱型主塔，为了研究其主塔桥墩对该桥区河段各通航水力要素的影响程度，通过建立平面二维水流数学模型，模拟该河段方案实施前后的水流流场，从工程应用的角度分析串列圆柱桥墩对河段水流条件的影响。分析数模仿真结果得知：在各级流量下桥区河段水位、流速在工程实施前后变化较小，桥轴线横向流速较小，桥梁的建设对通航水流条件影响较小，不会对船舶安全通过桥区产生影响。

依据《防洪法》等有关规定,对河道管理范围内的建设项目和位于河流影响范围内的重要建设项目应进行防洪影响评价,重要的防洪工程应运用数学模型分析计算。选用数学模型时,可根据实际情况,在满足工程实际的需要条件下,适当的选用一维或二维数学模型。本文运用二维数学模型对吉林油田新民采油厂拟在河道滩地内新建油井工程进行壅水计算,并采用经验公式法进行校核。结果表明:对于河道内复杂地形及建筑物的防洪评价壅水计算,相比二维模型计算结果,经验公式计算结果偏小,采用二维模型计算结果进行防洪评价,结论更安全、可靠。

通过考虑社区和楼房内部的容水性,引入侵入水量的概念,建立了能够模拟建筑物密集城区溃堤水流运动的数学模型。该模型采用有限体积法对浅水方程进行非结构离散,通过roe格式计算界面数值通量,给出了侵入水量的合理估算方法。通过物理模型的试验结果验证了本文模型的准确性和稳定性。最后应用该模型对哈尔滨市可能发生的溃堤洪水进行模拟,计算结果表明,该模型能较好地模拟溃堤洪水在城区内的运动过程,侵入系数的变化对计算结果有比较明显的影响。

二维潮流数值水槽的桩群数值模拟——为了研究二维潮流数值模拟中桩基的影响，导出了二维潮流桩基数模控制方程组，建立了桩基的二维潮流数值水槽，利用物模试验得出的桩基摩阻系数和桩基附加糙率，并经水深修正后，对洋山港一期工程桩基码头的潮流情况进行了模拟...

利用一、二维数学模型来研究某大桥的建设对富春江水域的影响,一维动床数学模型为二维定床模型提供下边界。结果表明,该方法能在计算中考虑闸口以下钱塘江水域洪水期间的河床变化,同时有效节省计算时间。利用非结构网格的平面二维定床数学模型,能较准确模拟桥墩形状以及两岸岸线情况,桥梁工程的建设对富春江水域的影响主要发生在桥位附近,桥墩上游局部雍水,桥墩之间流速增大,建桥引起的河床冲淤变化基本在桥墩附近,离桥位越远影响越小。

在对mike21二维水动力数学模型进行简单介绍的基础上，应用mike21水动力模块对拟建桥梁附近河段进行三角形网格剖分，建立河道二维水动力数学模型，对河道流场及圆桥墩局部绕流进行数值模拟，得出建桥前后河道流场变化，从而分析桥墩对河道流场的影响，分析结果可作为桥梁布置重要的设计依据。

建立了基于有限体积法的平面二维非恒定流数学模型,采用黎曼近似解通量差分裂(fds)格式计算通过各单元边的水流法向数值通量,并应用相关的悬移质、推移质河床变形计算公式计算冲淤变化。模型应用于浙江省49省道温溪至鹤城段改建工程河道水流状况的模拟,结果表明工程修建后工程段的中间部位以上以及外侧附近水位略有壅高,最大壅高值0.03m;工程区附近流速减缓、靠近河道中央流速略微增大,最大增幅约0.12m/s,河道冲淤幅度在0.3m以内。

建立宽浅河道与管道水流的二、三维嵌套的数学模型,对基本的控制方程、方程的数值离散格式和求解方法、嵌套连接和初始边界条件等问题进行研究。利用上述方法对某工程实例进行计算,在宽广水域上给出了水力要素的平面分布,在复杂边界强三维流动的计算区域得到其三维运动特性。计算结果与实验资料进行了比较,两者吻合较好,说明嵌套连接的二、三维数学模型是解决某些实际工程问题的一种可靠的和有效的工具。

文中将一维、二维模型的待求变量用边界水位的线性方程表示,在一、二维模型连接断面处,利用节点处流量守恒条件,实现一、二维模型的耦合。以大港独流减河为例,采用该耦合模型分析了钻井平台对河道水流的影响,模拟结果表明该模型设计合理,具有一定可靠性和实用性,可用于防洪评价中工程建设项目对水流的影响分析。

本文以横沙东滩促淤圈围（四期）工程为例，采用平面二维水流数学模型，根据工程的总平面布置，结合工程的特点和难点，分析不同施工顺序下各堤段水动力条件的变化情况，从而制定出对各堤段及周边水域影响最小的工程施工顺序，为工程的顺利实施提供技术支撑，同时也为类似中低滩促淤工程提供参考。

采用河道平面二维水流数学模型,对襄樊河段水流运动以及襄樊电厂二期工程大件码头和取水口工程对防洪的影响进行了数值模拟计算。结果表明:工程修建后上游河段最大壅水高度约0.02m,最大壅水长度约为630m,水流流态及水流流速分布无明显变化,对防洪影响不大。

数学模型是防洪评价的一个重要技术手段。介绍了广州水道某码头工程局部水域平面二维水沙数学模型的建立和验证及实际应用效果,结果表明,模型能较好地模拟工程附近水流泥沙运动以及河床冲淤变化规律,为预测分析工程建设对河道河床冲淤演变影响以及量化分析提供了一种手段和途径。

针对单纯使用一维或二维数学模型难以准确高效模拟大型涉水工程对水域影响的问题,通过利用一、二维联解潮流数学模型,在珠江口某港区码头工程附近使用二维模型,对该区域流场和流速变化范围进行模拟,其余水域采用一维模型模拟。结果表明,工程对珠江东四口门及工程周边水域水位、流速、河道潮量及分流比、潮排、潮灌、排涝等影响不大。结论认为,一、二维数学模型联解计算可以用于大型工程,尤其是海域内大型工程的防洪评价计算,并能够得出较为可靠的计算结果。

通过建立的基于有限体积法的平面二维非恒定流数学模型,对马家咀航道整治一期工程建设前后的河道水流运动进行模拟计算。结果表明:工程建设前后工程河段水位变化较小,工程附近河段水流流态及水流流速分布无明显变化。研究建立的二维水流数学模型可准确模拟工程河段水流运动,能在防洪影响评价中对工程前后河道水流、水位变化变提供较为可靠的依据,具有实用价值。

文章以跨辽河的某座大型桥梁为例,对5a一遇设计洪水条件下的河道流场分布特征和水位变化情况,利用平面二维数学模型进行了模拟分析,并对比分析了流场变化和雍水。研究表明:在5a一遇设计洪水条件下的桥墩附近,跨辽河的某座大型桥梁的桥墩出存在一定的流场变化和雍水,工程建设可对辽河产生局部的影响作用。

在边界拟合曲线坐标系下,运用b型交错网格模式和动边界扫描技术建立了基于连通域的二维水流数学模型,并提出了模型中有关参数的处理方法。采用贴体坐标变换将复杂的物理域变换成规则的计算域,在计算域上采用控制容积法离散方程,应用simplec算法计算速度-压力耦合。研究结果表明:采用控制容积法和simplec算法离散求解方程,具有良好的守恒性和稳定性;该模型能够较准确地模拟连通域河段的流场变化、水位变化等过程,可供实际工程应用。

与顺直明渠水流相比,明渠交汇水流由于存在分离区和自由剪切面,其紊动特性引起的阻力较为复杂,交汇水流除床面阻力外还受到较强的阻力。基于数值模拟与实验比较分析表明,分离流与自由剪切流所产生的阻力(紊动粘性阻力)对于交汇水流数值模拟具有重要影响。同时,由于平面二维模型对二次流影响的忽略,断面环流较强时数值模拟会产生较大的阻力(环流阻力),而断面环流较弱时,交汇水流的三维特性相对较弱,采用平面二维模型和k-ε紊流模型能达到较好的模拟效果。因此,紊动及环流阻力的计算对交汇水流数值模拟的精度至关重要。