水下淹沒建筑物局部流場數(shù)值模擬及河床沖刷分析

談河床調(diào)節(jié)建筑物迎水面傾斜度對局部沖刷的影響

根據(jù)水流擴(kuò)散和質(zhì)點運動理論,水工建筑物的局部沖刷可用新的方法預(yù)測。這種方法可適應(yīng)各種幾何和水流條件,沖刷預(yù)測的結(jié)果比以前憑經(jīng)驗確定的好。

談河床調(diào)節(jié)建筑物迎水面傾斜度對局部沖刷的影響

工99o年l2月水電工程研究第2期 論龔嘴水電站壩下游河床局部沖刷 冉隆義趙偉 r攫要l本文根據(jù)愿型據(jù)刪的坤淤地形及洪水資料．分析、論述了龔嚼水電站下游河床局 部沖剮問題。建志了局韶沖深經(jīng)驗公式，并對沖坑形狀的特征數(shù)進(jìn)行了驗算，可供夸唇工程 設(shè)計參考。 一 ，刖舌 龔嘴電站位]=眠江支流渡河巾下游的蛺谷河段上，是一雎發(fā)電為主兼顧漂木、 航運的綜臺性水利樞紐。裝機(jī)釋量7o萬 kw龔嘴電站的泄洪建筑物，還承擔(dān) 了漂術(shù)過壩及排沙任務(wù)。主泄洪區(qū)設(shè)在 河床中部，布置有3孔寬12m的漪流壩 (7#、8、9壩段)及兩側(cè)各蹬一·5 8m的大底孔(6#、10壩段)。溢流壩 壩頂高程506．0r】l，鼻坎商稚7i．0m， 鼻坎術(shù)端在(壩)o+goe1，下游設(shè)20 12}＆的短護(hù)

選取黃河沙質(zhì)河床實測資料和模型試驗數(shù)據(jù),運用圖示判斷法、相關(guān)系數(shù)法及相對誤差法等方法,對具有代表性的6家丁壩局部沖刷公式進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明:張紅武公式、波爾達(dá)科夫公式同黃河實測資料最為符合,計算精度較高,對與丁壩局部沖刷相關(guān)的水流泥沙特征因素的反映較為全面,可作為黃河河道整治工程設(shè)計的主要依據(jù)。

對平底靜水池、加設(shè)消力坎及兩排消力齒的消力池、臺階消力池的水流沖刷。在論證各家計算公式的基礎(chǔ)上，推薦了最優(yōu)計算方法及采用的計算公式，并附有計算用的輔助曲線

建筑物繞流是一種典型的鈍體繞流形式,而鈍體繞流通常具有非穩(wěn)態(tài)流動特征,本文主要工作是對建筑物繞流的非穩(wěn)態(tài)流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究。首先采用了rngk-ε模型對方柱繞流進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬研究,通過與實驗以及大渦模擬結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)rngk-ε模型可以獲得滿意結(jié)果;接著又對一種典型的建筑物繞流形式進(jìn)行數(shù)值模擬研究,分別采用了穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)模擬方法,模擬結(jié)果表明了采用非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬方法可以獲得與實驗以及大渦模擬更為接近的結(jié)果。

模型縮尺對水工建筑物下游局部沖刷坑內(nèi)水流運動的影響

模型縮尺對水工建筑物下游局部沖刷坑內(nèi)水流運動的影響

高含沙洪水通過黃河下游河道時往往發(fā)生嚴(yán)重淤積,因此,數(shù)值模擬研究高含沙洪水的演進(jìn)過程,對理論研究及實際工程需求均具有重要意義。以往的泥沙數(shù)學(xué)模型通常不考慮高含沙量對水流控制方程的影響,而這將會影響高含沙洪水演進(jìn)過程的模擬。本文建立了黃河下游高含沙洪水演進(jìn)過程的一維非恒定非均勻沙數(shù)學(xué)模型,該模型不僅在水流控制方程組中采用渾水的連續(xù)方程與動量方程,而且通過引入灘槽劃分及\"二級懸河\"處理等技術(shù)考慮黃河下游復(fù)雜地形下的水沙演進(jìn)。以1977年的典型高含沙洪水過程為例,分析高含沙量對洪水演進(jìn)的影響,并率定出模型中的恢復(fù)飽和系數(shù)、不飽和系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。將率定后的模型參數(shù)應(yīng)用于1992年下游實測洪水的模擬,驗證模型的適用性。計算結(jié)果表明:考慮高含沙的影響后,洪峰流量、水量、傳播時間的模擬誤差減小,說明在數(shù)值模擬高含沙洪水的演進(jìn)中有必要采用渾水控制方程。

為預(yù)測閘壩下游局部沖刷坑形態(tài)和發(fā)展,基于fluent動網(wǎng)格技術(shù)對當(dāng)卡水電站下游局部沖刷進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。采用vof水-氣界面追蹤方法來處理閘壩下游沖刷坑內(nèi)復(fù)雜的自由液面,將床面瞬時剪切應(yīng)力作為泥沙起動及運輸?shù)乃畡恿W(xué)條件,計算出不同方向上床底泥沙單寬體積輸沙率,以此為基礎(chǔ)得到河床高程坐標(biāo)的瞬時變化;采用改進(jìn)的泥沙起動臨界剪切應(yīng)力計算公式,有效地避免了床面坡度接近泥沙休止角時造成的輸沙率數(shù)值計算的異常;采用彈簧光順模型及局部網(wǎng)格重構(gòu)模型實現(xiàn)了閘壩下游局部沖刷坑的三維演化過程。通過分析對比沖刷坑最終形態(tài)表明,數(shù)值模擬值與模型試驗實測值吻合良好,說明數(shù)學(xué)模型計算準(zhǔn)確,結(jié)果可信。

為預(yù)測閘壩下游局部沖刷坑形態(tài)和發(fā)展,基于fluent動網(wǎng)格技術(shù)對當(dāng)卡水電站下游局部沖刷進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。采用vof水-氣界面追蹤方法來處理閘壩下游沖刷坑內(nèi)復(fù)雜的自由液面,將床面瞬時剪切應(yīng)力作為泥沙起動及運輸?shù)乃畡恿W(xué)條件,計算出不同方向上床底泥沙單寬體積輸沙率,以此為基礎(chǔ)得到河床高程坐標(biāo)的瞬時變化;采用改進(jìn)的泥沙起動臨界剪切應(yīng)力計算公式,有效地避免了床面坡度接近泥沙休止角時造成的輸沙率數(shù)值計算的異常;采用彈簧光順模型及局部網(wǎng)格重構(gòu)模型實現(xiàn)了閘壩下游局部沖刷坑的三維演化過程。通過分析對比沖刷坑最終形態(tài)表明,數(shù)值模擬值與模型試驗實測值吻合良好,說明數(shù)學(xué)模型計算準(zhǔn)確,結(jié)果可信。

為預(yù)測閘壩下游局部沖刷坑形態(tài)和發(fā)展,基于fluent動網(wǎng)格技術(shù)對當(dāng)卡水電站下游局部沖刷進(jìn)行了三維數(shù)值模擬.采用vof水-氣界面追蹤方法來處理閘壩下游沖刷坑內(nèi)復(fù)雜的自由液面,將床面瞬時剪切應(yīng)力作為泥沙起動及運輸?shù)乃畡恿W(xué)條件,計算出不同方向上床底泥沙單寬體積輸沙率,以此為基礎(chǔ)得到河床高程坐標(biāo)的瞬時變化;采用改進(jìn)的泥沙起動臨界剪切應(yīng)力計算公式,有效地避免了床面坡度接近泥沙休止角時造成的輸沙率數(shù)值計算的異常;采用彈簧光順模型及局部網(wǎng)格重構(gòu)模型實現(xiàn)了閘壩下游局部沖刷坑的三維演化過程.通過分析對比沖刷坑最終形態(tài)表明,數(shù)值模擬值與模型試驗實測值吻合良好,說明數(shù)學(xué)模型計算準(zhǔn)確,結(jié)果可信.

某雙線盾構(gòu)隧道近距離旁穿一幢12層高層建筑,為合理評估隧道施工對建筑物的影響,進(jìn)行了考慮盾構(gòu)動態(tài)施工及排樁加固的的遠(yuǎn)端(左線)、近端(右線)以及雙線均開挖后隧道橫斷面及建筑物沉降的flac3d數(shù)值模擬分析,并對工程現(xiàn)場進(jìn)行了沉降實測。數(shù)值模擬和實測結(jié)果表明:不采取加固措施,建筑物基礎(chǔ)靠近隧道側(cè)的最大沉降為5.2mm,最大水平位移達(dá)25.8mm;基地土體出現(xiàn)拉剪破壞;數(shù)值模擬分析結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果較為一致;若采用排樁加固,建筑物基礎(chǔ)靠近隧道側(cè)的最大沉降為2.4mm,最大水平位移不足10mm,基地土體未出現(xiàn)拉剪破壞;排樁加固能有效降低圍巖變形及地表沉降,有利于建筑物的保護(hù)。

通過廣州某地鐵車站的施工對周邊既有建筑物影響的三維數(shù)值模擬分析,探討了地表鉆孔帷幕注漿對既有建筑物的保護(hù)作用。實踐證明,帷幕注漿起到了阻隔地層變形及地下水滲流的作用,有效地減小了建筑物的沉降量及傾斜度,保證了建筑物的安全。

為了深入地認(rèn)識泄水建筑物摻氣水流的復(fù)氧過程,該文應(yīng)用水氣兩相流混合模型計算了包括水墊塘在內(nèi)的泄水建筑物水體的摻氣濃度、流速、紊動粘性系數(shù)等特征參數(shù)。應(yīng)用氣泡界面?zhèn)髻|(zhì)理論建立了摻氣水流的溶解氧對流擴(kuò)散方程。不同試驗工況的結(jié)果驗證了摻氣復(fù)氧數(shù)學(xué)模型的合理性和可靠性,表明該模型符合壩身泄流的特點,充分體現(xiàn)了過壩水流對大氣的卷吸與紊動混摻。

本文運用已建精細(xì)城市pbl模式,用拖曳力法考慮城市建筑物的影響,并以北京前三門地段板房為例,通過8個數(shù)值試驗具體研究了建筑物對氣象場的影響。結(jié)果表明:前三門地段板房的有無對風(fēng)速、湍能和nox濃度的影響較明顯。有板房比沒有板房時30m處水平總風(fēng)速減少0.03～0.10m/s,湍能增大0.02～0.14m2/s2。板房對水平總風(fēng)速的影響大于0.01m/s的范圍為:迎風(fēng)向和背風(fēng)向約400～500m,側(cè)風(fēng)向約100～200m;垂直方向的影響高度約為150m,在30m高度附近影響最大。對湍流動能的影響范圍與風(fēng)速的類似。對nox濃度的影響以地面為最大,其影響程度及影響范圍和板房與污染源的相對位置以及板房與周圍建筑物的距離有關(guān)?？傊?在高分辨的邊界層模式中,用拖曳力法考慮城市建筑物的影響是可行和必要的。

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)潰堤水流運動的數(shù)學(xué)模型。該模型采用有限體積法對淺水方程進(jìn)行非結(jié)構(gòu)離散,通過roe格式計算界面數(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結(jié)果驗證了本文模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。最后應(yīng)用該模型對哈爾濱市可能發(fā)生的潰堤洪水進(jìn)行模擬,計算結(jié)果表明,該模型能較好地模擬潰堤洪水在城區(qū)內(nèi)的運動過程,侵入系數(shù)的變化對計算結(jié)果有比較明顯的影響。

水工建筑物泄水時，其下游底部旋渦或側(cè)邊迥流與主流的分界面上流速梯度最大、紊動最甚，這是下游沖刷坑形成的主要原因。從該分界面上水流的剪應(yīng)力出發(fā)，建立水流動量變化的微分方程，由模型試驗確定水流分界面的變化關(guān)系，并引用泥砂起動流速關(guān)系，略去河床糙率的影響等，得出砂質(zhì)河床局部沖刷深度的基本公式。該公式已為若干實際工程的沖刷資料所驗證。對于粘性土河床，只須求出抗沖等效粒徑，即可利用該公式計算沖深。對于挑流或自由跌流情況下的巖基沖刷，在基本公式的基礎(chǔ)上考慮了水流入射角和河床糙率的影響。

采用基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的有限體積法對建筑物影響下的堤壩潰決水流進(jìn)行了數(shù)值模擬。為模擬建筑物對潰決水流產(chǎn)生的影響,模型采用了三種方法:固壁邊界法、真實地形法和加大糙率法。經(jīng)物理模型驗證,當(dāng)建筑物頂部不過流時,三種方法均能得到較好的計算結(jié)果,其中固壁邊界法和真實地形法的計算結(jié)果基本一致;而加大糙率法由于對反射波的計算不如其它兩種方法靈敏,因而在城區(qū)內(nèi)所得的計算水深比其它方法略低一些。

采用正交曲線坐標(biāo)對赤水河鰱魚溪碼頭河段計算域進(jìn)行了坐標(biāo)擬合,用有限體積法(simplec程式)對擬合坐標(biāo)系下的水流基本控制方程進(jìn)行了離散,在求解過程中采用了欠松弛技術(shù)和逐線迭代法。分析了鰱魚溪碼頭工程前后河段內(nèi)水位、比降及水流流速的變化。研究了碼頭前沿船舶泊穩(wěn)條件和碼頭工程建設(shè)對洪水位的影響,得出了在赤水河鰱魚溪彎道凹岸建港可以將岸線適當(dāng)推向河心的認(rèn)識。

爆破拆除高聳建筑物時,爆破切口的爆炸荷載必然產(chǎn)生爆破震動,但有關(guān)擬爆物自身震動危害的研究較少,一般以經(jīng)驗來估計爆破震動的影響。采用數(shù)值模擬,通過分析爆炸荷載引起的擬爆煙囪上部結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)來研究爆破震動對過早斷裂的影響。結(jié)合現(xiàn)場爆破觀測的結(jié)果,其結(jié)論是爆破切口產(chǎn)生爆炸荷載對上部結(jié)構(gòu)的斷裂有相當(dāng)影響,是筒體過早斷裂及反向傾轉(zhuǎn)的主要原因,爆炸荷載作用下,煙囪簡體高度的55%～75%范圍內(nèi)是斷裂危險區(qū),對風(fēng)化嚴(yán)重等強(qiáng)度低的磚煙囪進(jìn)行爆破拆除時,尤其應(yīng)控制單響起爆藥量與起爆的間隔時間。