基于OpenFOAM的异重流数值模拟分析

由于异重流常常会对港池、船闸、渠道中的航行产生阻碍作用,因此对异重流的研究是十分必要的。文章基于开源CFD软件OpenFOAM对异重流进行了数值模拟分析。通过对膨胀波、内涌浪、Kelvin-Helmholtz不稳定、涡以及前缘高度的研究来了解异重流演化过程中的结构变化。对比四种不同粘性的异重流模拟可以发现,流体粘性对异重流演化过程中的耗散有着明显的影响。流体的粘性越小,异重流演化过程中两种流体界面处的涡越复杂。通过对比异重流演化期间的前缘位置、速度、雷诺数以及弗劳德数可以发现,Minmod方法和SuperBee方法得到结果分别与Berntsen提出的BOM模型和MITgcm模型得到的结果吻合。当流体粘性较小时,采用Minmod方法模拟的异重流耗散现象比SuperBee方法得到的结果更为明显。     

引航道异重流运动及其淤积

船闸上、下引航道在闸门关闭期间,只有一头与大河相通,另一头封闭,形成所谓“盲肠河段”。实践证明盲肠河段有浑水异重流潜入,造成严重淤积,给通航造成危害。本文运用动量原理,导得了异重流头部运动速度,并考虑到异重流流量沿程减小,求得了异重流运动速度的微分方程;在低含沙浓度条件下,异重流的速度小,紊动很弱,其中的泥沙运动特点类同于沉淀池。根据沉淀池中泥沙运动轨迹方程及不计紊动扩散作用的泥沙运动连续方程,导得了均匀沙和非均匀沙异重流的流速、深度、含沙浓度沿程变化关系式,以及相应淤积量。     

船闸引航道内的异重流淤积计算*

异重流淤积是引航道的主要淤积之一,其特点是淤积距离长、淤积总量大,如不及时清淤,则会减小通航水深、影响通航安全。在资料有限的条件下,采用已有公式对引航道的异重流淤积量进行初步计算,对认识引航道的淤积特性,制定初步的清淤方案有着重要的意义。在现有异重流淤积计算公式的基础上,提出了考虑异重流清水上升效应的沿程含沙量修正公式。与现有公式相比,其计算结果与实测值更接近,为异重流淤积量计算研究提供新途径。     

船闸引航道异重流淤积分析计算

根据异重流运动的特点,从水体重率沿程变化的机理出发,运用能量原理,推导出异重流淤积计算公式,并用于大源渡船闸引航道淤积计算。所得成果与已有3种公式计算结果的平均值相当,通过类比分析,所得淤积量分布与实测资料一致。     

异重流三维非静压数值模拟研究

针对异重流的三维运动特征,应用非静压模式的TELEMAC-3D数值模块对其进行了模拟研究。该模型应用分布有限元法对动量方程和输运方程进行处理,应用该模块对不同尺度的盐度密度流和温度密度流进行了数值模拟验证,结果表明,模拟结果与前人模型结果吻合较好,表明该模块可应用于各种尺度的异重流演进计算。     

挖入式港池泥沙淤积及减淤措施试验研究

通过试验,结合部分理论分析,研究了挖入式港池泥沙淤积特性,分析了产生淤积的原因,在此基础上提出3种减淤措施。试验结果表明:港池内泥沙淤积主要由回流及异重流引起,淤积物分布具有一定规律,回流产生的淤积集中在口门附近,粒径较粗,而由异重流引起的淤积在港池内沿程分布,粒径较细。提出的方案能够达到减淤的目的,可以用于实际工程。     

长江下游河段大型挖入式港池泥沙回淤研究

在分析感潮河段挖入式港池泥沙淤积机理的基础上,对回流淤积、异重流淤积量及缓流淤积量的计算方法进行了研究,并对长江下游某大型挖入式港池规划方案的淤积量及淤积强度进行了估算。计算结果表明挖入式港池内以异重流淤积为主,港池口门附近的回流区淤积强度最大。文中还对挖入式港池淤积量与港池内水深变化、港池水域面积变化及来水来沙条件变化的相关性进行了总结,得出了一些规律性的结论。     

山东省淄博市萌山水库非汛期上游入库水量及水质情况浅析

2014年3月,调查发现,萌山水库水质与2007年相比,指标恶化的原因为煤炭、建材行业等点源污染,以及农业生产、生活垃圾等面源污染。建议通过建立人工湿地净化水体,汛期利用异重流排出库底淤泥等措施逐步改善水质。     

低浓度盐水异重流运动规律试验研究

船舶通过河口船闸将导致盐水潜入闸室继而侵入淡水河道造成水质恶化。既有研究集中于海船闸高浓度盐水入侵（浓度20‰~30‰）,但对于河口船闸低浓度盐水（浓度2.23‰~4.17‰）入侵过程及规律尚不清楚。基于室内大尺度水槽试验,研究了低浓度盐水的运动特性,探讨低浓度盐水运动形态的演变过程、盐度分布与盐水运动形态的关系、盐水头部运动速度以及密度弗劳德数与浓度的关系。结果表明,受密度梯度力驱动,低浓度盐水仍然作异重流运动并集中在底部输移;低浓度盐水异重流运动形态的转化距离相比高浓度盐水更远,其运动状态受底床阻力影响分为滑塌阶段和自相似阶段,密度弗劳德数在滑塌阶段为常数（FrH=0.32）、自相似阶段随时间线性递减（斜率为-0.01）。     

内河挖入式港池淤积量计算

对内河挖入式港池发生淤积的原因进行分析，认为淤积主要是由口门处的回流及浑水异重流引起的。结合港池的淤积形态在已有理论的基础上建立了淤积量计算模式，并用该方法对岳阳某港的挖入式港池进行淤积量计算，与实际淤积量相比较为吻合，验证了该计算方法的正确性。为预测内河挖入式港池的淤积量提供重要依据。     

淤泥质海岸外航道淤积计算

利用水流泥沙输移方程和淤积公式建立了淤泥质海岸上外航道淤积计算公式,通过水槽实验和数值模拟对公式中的参数作了修订,公式计算结果与物模、数模、现场的资料及规范推荐的公式结果一致。     

复式航道的淤积计算

利用水流泥沙运动基本理论，分析了水流经过复式航道时的流速、流向变化，建立了复式航道的泥沙淤积计算公式，方法简单实用，可供工程应用。     

温州石化基地30万吨级航道选线研究

采用水动力泥沙条件分析、冲淤演变分析、航道轴线平均水深与开挖深度统计、基建工程量计算、二维潮流数学模型计算、航道年淤积强度与淤积量计算、航道骤淤计算、三维潮流数学模型计算、通航安全分析等多种手段对温州石化基地30万吨级航道多条轴线方案进行了比选研究。根据航道轴线自然淤积厚度、航道天然平均水深、航道平均开挖深度、航道首次开挖量、航道长度，大潮最大流速与航道轴线交角、最大横流速度、航道年平均淤积强度、航道年淤积量、航道平均骤淤强度、航道段最大骤淤强度及通航安全（航道拐点、附近有无岛礁）等多项指标对航道轴线方案进行了选择。研究结果认为与涨落潮流方向基本一致的直线方案为最佳航道轴线方案。     

粉沙质海岸的泥沙运动和外航道淤积

文章分析了粉沙质海岸泥沙运动特性和粉沙质海岸外航道泥沙淤积特点,针对粉沙质海岸存在的悬移质、推移质和近底流移质3种泥沙运移形态,提出了计算粉沙质海岸外航道淤积的三层模式,并推导了临底流移质淤积计算的实用公式,进而建立了适用于粉沙质海岸外航道淤积的实用公式,并以黄骅港实测资料为依据,计算了黄骅港曾出现的大风淤积,并与实测结果进行对比,结果显示趋势一致、量级吻合,公式可推广应用。     

基于动网格技术对银盘船闸阀门段体型优化动态仿真研究

采用动网格技术和VOF方法对乌江银盘船闸阀门开启过程进行非恒定流三维紊流数值模拟,采用1min开阀方式分析阀门段水流急变分离的流态和压力的时空演化规律及出现空化空蚀的危险区域和时刻,并对阀门段体型进行了比较优化,最终确定了推荐方案。     

利用水文测验资料预测海床冲淤演变趋势

利用平衡含沙量建立海床冲淤计算公式,由此导出海床冲淤指标新概念,得出海床冲淤判别式,用来预测海床冲淤演变趋势。进一步利用上海国际航运中心洋山港区全潮水文测验资料,计算出海床冲淤指标,预测该海区海床冲淤趋势,预测结果与现场实测很一致。     

连云新城海滩清淤工程维护效果研究

淤泥质海岸人工沙滩的维护问题日益为人们所关注。在平衡水深概念推导出的海床冲淤公式的基础上,通过对平衡流速的假设,增加了因水深改变而引起的海床冲淤,推广了适用于计算自然滩面下海床冲淤的公式。通过推广后的公式计算了连云新城海滩清淤工程的泥沙冲淤。计算结果表明：各清淤方案有使海床恢复到自然水深的趋势,且均有泥滩出露的现象,需要进行定期的疏浚维护。     

海庙港扩建工程方案港池航道泥沙淤积研究

通过数学模型模拟海庙港扩建工程实施后港池、外航道的流速变化,利用淤积计算公式,得出港池、外航道的淤强及淤积量。外航道淤积计算由悬沙落淤、推移质淤积两部分组成。港池平面为环抱式,故淤积计算由两部分组成,一是纳潮棱体引起的悬沙落淤;二是口门环流形成的悬沙落淤。     

台风对洋口港深水航道骤淤影响的研究

联合运用SWAN模型和MIKE21模型，建立了波流联合作用下平面二维的泥沙数学模型，模拟台风作用下洋口港深水航道的淤积情况；提出了近底高浓度水体临界高度的计算方法，据此建立了考虑推移质与近底高浓度含沙水体层两层模式输沙、计算粉砂质海岸淤强的经验公式；最后运用上述2种方法分别计算台风作用下洋口港外航道的淤积，分析结果认为台风作用不会对洋口港外航道造成很大淤积。