河流冰塞数值模拟进展-水科学进展.PDFVIP

第 19 卷 第 4 期 水 科 学 进 展 Vol19 ,No4 2008 年 7 月 　　 ADVANCES IN WATER SCIENCE 　 Jul . , 2008 　 河流冰塞数值模拟进展 王 　军 , 赵慧敏 (合肥工业大学土木学院 , 安徽 合肥 　230009) 摘要 : 冰塞是高纬度地区河流凌汛的主要诱因。为防凌减灾 , 围绕着河冰问题的试验研究、原型观测和数值模拟 , 国内外学者展开了大量的研究 。就数值模拟方面 , 综述了国内外学者在河冰一维 、二维数值模拟方面的研究成果 ; 重点描述了 Shen 的一维模型和模拟冰塞体溃决的二维模型及其在实际中的应用 ; 在评述和分析各模型特点的基础 上 , 尝试提出了今后的发展方向。 关 　键 　词 : 冰塞 ; 数值模拟 ; 耦合 ; 热力 ( ) 中图分类号 : P3328 ; P3384 ; G35311 　　　文献标识码 : A 　　　文章编号 : 2008 冬季 , 北方地区河流常因冰塞而成灾 , 围绕着冰塞灾害问题 , 国内外众多学者从试验研究、原型观测 、数 值模拟等不同的方面进行研究 , 取得了大量有益的成果 。就数值模拟方面而言 , 从 20 世纪 70 年代开始 , 首先 出现了一维河冰数值模拟 , 迄今已发展出现了二维河冰数值模拟 , 并在工程实际中得以应用 。本文就该方面的 研究成果进行综述 , 并尝试提出了今后的发展方向。 1 　现有模型分析 11 　一维模型 近年来 , 新近研究所建立的一维河冰模型主要有 Zufelt [ 1] 、She 和 Hicks[2 ] 的研究成果 。 Zufelt 等建立了一维输冰耦合模型 , 该模型的基本方程分为冰水质量守恒方程和动量守恒方程 。 利用该模型 , Zufelt 等研究了冰的动量和水的非恒定性对冰塞厚度值大小及其分布的影响 , 得 出了由 Beltaos[3 ] 一维静态平衡冰塞厚度计算公式得出的厚度值明显偏小的结论 。另外 Zufelt 分析认为冰动量和水流的 非均匀性是造成冰塞前缘头部较大的原因 , 虽然该结论未考虑到水流条件与输冰量相互之间的调整关系 , 但已 经打破了千篇一律的冰塞厚度分布常规的描述 , 即较薄的上游过渡段 ; 厚度均匀的平衡段 ; 坚冰盖前的厚度最 大的冰趾段 。 通过研究 , Zufelt 等还提出了考虑冰动量和水流非均匀性与否的两个主要的无量纲数 。 Zufelt 等耦合求解了一维冰水运动方程 , 模拟了冰水运动及其对冰塞厚度的影响 , 这种冰水偶合解法在一 维模型中是一个进步 。 Zufelt 等模型的不足在于未考虑当冰塞运动或坍塌时 , 冰塞强度以及冰塞与岸边摩擦系数的变化 。 She 和 Hicks 建立了一维非恒定冰 、水质量和动量守恒方程 , 在质量守恒方程和动量方程中采用的是冰水 混合形式 , 单独列出冰质量守恒方程且非耦合求解该方程 。 She 和 Hicks 通过在动量方程中加入经验项表示冰阻力效果 , 而在冰质量守恒方程中加入经验扩散项考虑 冰质量纵向释放扩散效果 , 研究了在冰塞体溃决时冰对洪水波推进和冰塞体再次形成的影响 。为检验该模型 , 收稿 日期 :