论文题目: 分汊口水沙运动特征及三维水流数学模型应用研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 港口,海岸及近海工程
作者: 童朝锋
导师: 严以新
关键词: 分汊口,分流比,人工神经网络模型,广义曲线坐标,逆变流速张量,三维水流数值模型,长江口
文献来源: 河海大学
发表年度: 2005
论文摘要: 分汊流是常见的水流运动形态，常出现在天然河流、引水明渠等工程中，受边界控制，水流结构复杂，河道演变特殊。论文采用理论分析、分汊水槽试验和数值模拟等方法对分汊河道的相关问题开展了研究，主要内容如下： (1) 提出研究分汊流的意义，指出分汊流运动的复杂性，回顾了分汊流相关研究历史和现状，包括河道分流成因的研究、分汊河道水沙运动及演变规律研究、论述了数值模型研究进展及在分汊流计算应用现状。 (2) 建立分汊河道分流比预测模型，包括：水位差等值法、动量平衡法、等含沙量法和人工神经网络模型预测法。水位差等值法利用各支汊水位差相等条件；动量平衡法利用分汊口动量平衡原理；等含沙量法利用分汊河道各汊泥沙浓度相近条件；人工神经网络模型则是应用人工神经网络的“黑箱子”原理和已有当地分流资料建立预测模型，各模型均有实例验证以说明模型的可行性和正确性。 (3) 通过分汊水槽的分水分沙试验，提出分汊口区域的水动力结构和泥沙运动特征。利用多普勒流速仪测定并分析了分汊口的水流结构；进行分汊水槽的分沙比试验研究，得出了分流比、水槽宽深比、分流角度以及泥沙颗粒对分沙比的影响关系。 (4) 探讨正交网格的生成方法，提出了正交网格的待定函数生成法和水深权函数法，其中水深权函数法可考虑水深的影响，对因水深变化剧烈而导致水流条件复杂区域网格可局部加密。 (5) 推导了广义曲线坐标系下以逆变流速张量作为主变量的二维水动力方程，新方程保持原有结构形式及物理含义，采用水位校正法建立了二维水流数学模型，经实测资料验证后的模型，模拟并分析了分流角度、宽深比等因素变化对分汊流平面二维水流结构的影响。 (6) 推导出以逆变流速张量作为主变量的三维水动力方程，方程平面采用广义曲线坐标，垂向采用伸缩σ坐标，新方程保持原有结构形式和物理意义，采用SIMPLEC法建立了三维水流数学模型，经实测资料验证后的模型，模拟不同边界条件下的分汊口水动力结构，得出分汊口底部流场较表层流场复杂，断面存在横向环流；大分汊角范围内的分汊角度变化对分流面影响较小分汊角范围内的分汊角度变化敏感：分汊流三维特性随宽深比的增大而减小，宽深比大于200乃时，分流面沿水深基本不变。 (7) 建立长江口三维水动力数值模型，模拟分析了南北槽分汊口的水动力结构，提出了北槽涨潮先于南槽至南北槽分汊口对减少北槽的淤积有利，同时指出在长江口南北槽分汊口横向环流很弱，对南、北槽分沙影响甚微。
论文目录:
前言
中文摘要
Abstract
第一章 绪论
1．1 问题的提出及研究意义
1．2 分汊流相关研究的回顾
1．2．1 河道分流的成因研究回顾
1．2．2 分汊河道水沙运动特性及演变规律的研究回顾
1．2．3 数值模型研究进展及在分汊流计算应用现状
1．3 主要研究内容和方法
第二章 分汊河道分流预测模型
2．1 前言
2．2 水位差等值法
2．3 动量平衡法
2．4 等含沙量法
2．5 分流比预测模型的验证
2．6 人工神经网络预测分流模型
2．6．1 BP人工神经网络基本原理
2．6．2 神经网络预测模型在长江口分流预测中的应用实例
2．7 分流预测模型的比较和总结
第三章 分汊口分流分沙试验
3．1 前言
3．2 无量纲因子分析
3．3 试验设备及设计
3．4 试验结果分析
3．4．1 分汊口的水流运动结构分析
3．4．2 分汊口的底沙运动
3．5 试验结论
第四章 分汊区域的贴体曲线网格生成
4．1 前言
4．2 曲线网格生成控制方程
4．3 聚散函数P、Q控制函数
4．3．1 Thompson的指数型
4．3．2 流、势函数理论生成法
4．3．3 待定函数法
4．3．4 水深权函数法
4．4 方程离散求解
4．5 分汊多连通区域的曲线网格生成实例
4．6 本章小结
第五章 二维水动力数学模型及分汊流模拟
5．1 前言
5．2 笛卡尔坐标下的二维水沙运动基本方程
5．2．1 二维水流运动基本方程
5．2．2 二维紊流方程
5．3 广义曲线坐标下基于逆变张量的二维水动力基本方程
5．3．1 坐标变换基本原理
5．3．2 平面笛卡尔坐标与广义曲线坐标的转换关系
5．3．3 广义曲线坐标下基于逆变张量的二维水动力基本方程
5．4 定解条件
5．4．1 初始条件
5．4．2 边界条件
5．5 方程的离散求解
5．5．1 统一微分方程的数值离散
5．5．2 离散方程的求解
5．6 分汊口二维水流数值计算和分析
5．6．1 模型的验证
5．6．2 分汊流的二维数值计算和分析
5．7 本章小结
第六章 三维水动力数学模型及分汊流模拟
6．1 前言
6．2 笛卡尔坐标下的三维水沙运动基本方程
6．2．1 水流运动基本方程
6．2．2 三维紊流模型
6．2．3 运动方程的统一格式
6．3 广义曲线坐标下基于逆变张量的三维运动方程
6．3．1 三维笛卡尔坐标与广义曲线坐标的转换关系
6．3．2 基于逆变张量的广义曲线坐标下三维水运动基本方程的推导
6．4 初始及边界条件
6．4．1 初始条件
6．4．2 边界条件
6．5 方程的离散求解
6．5．1 通式方程的离散
6．5．2 离散方程的求解
6．6 分汊口区域的三维水动力模拟及运动结构分析
6．6．1 模型的验证
6．6．2 分汊水流运动三维特性的模拟及分析
6．6．3 分汊角度变化的影响
6．6．4 宽深比变化的影响
6．7 本章小结
第七章 长江口南北槽分汊口水动力模拟分析
7．1 引言
7．2 长江口三维模型介绍
7．3 模型验证
7．4 南北槽分汊口水动力特征分析
7．4．1 流场的分析
7．4．2 南北槽流量过程分析
7．4．3 南北槽底部切应力的分布
7．5 本章小结
第八章 结论与展望
8．1 主要结论
8．2 有待进一步研究的问题
参考文献
附录A：读博期间发表的主要论文
附录B：读博期间参加的主要科研项目
附录C：读博期间所获主要荣誉
致谢
发布时间: 2005-04-25
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