论文题目: 连续弯道环流运动与泥沙冲淤特性的数值模拟及实验
论文类型: 硕士论文
论文专业: 水力学及河流动力学
作者: 芮德繁
导师: 刘兴年
关键词: 连续弯道,数值模拟,弯道环流,模型,冲淤特性
文献来源: 四川大学
发表年度: 2005
论文摘要: 天然河道都一般都可以概化为一系列弯段和直段的组合,因此对于理想弯道的水沙运动规律研究可以作为天然河道水沙运动规律研究的基础。传统的研究方法是采用相似准则下一定比尺的物理模型实验来研究,尽管物理模型实验具有自身的优点,但仍有许多不足之处。随着计算机技术的不断发展,数值模拟作为河流模拟领域一个重要手段,得到广泛的应用和发展。由于弯道特有的几何特征和边界条件,使得弯道中水流产生水面超高现象,从而在向心方向上产生压力差。在离心力和向心方向上的压力差作用下,弯道中水流将产生特有的运动方式,即弯道环流运动。就水流的整体而言,呈螺旋流运动。弯道环流的出现,从而引起弯道泥沙的横向输移,形成弯道凹岸冲刷、凸岸淤积的冲淤特性。对连续弯道而言,泥沙运动存在同岸输移和异岸输移两种。本文对弯道水流运动现象、泥沙的输移规律、床面剪切力的分布、弯道泥沙的起动和弯道输沙率等从理论上作了详细分析。在本文中,主要采用数值模拟和物理模型实验的方法,对弯道环流运动现象进行了模拟和测量,并分析环流运动对弯道泥沙输移的作用。本文采用了κ~ ε模型结合VOF 模型和Eulerian 两相流模型对连续弯道环流、弯道泥沙冲淤规律进行了数值模拟。以二维的水气两相流的VOF 模型结合雷诺时均法的κ~ ε双方程模型进行水气两相流计算,得到稳定流场作为三维水沙计算的初始进口条件。在连续弯道三维水沙计算中,采用结合雷诺时均法的κ~ ε双方程的Eulerian 两相流模型。在三维正交曲线坐标系下,建立描述水沙运动的控制方程,采用有限体积法离散方程,以SIMPLE 方法对压力场和速度场耦合计
论文目录:
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 概述
1.2 弯道水沙运动规律的研究意义
1.3 弯道水沙运动规律研究现状
1.4 水沙数值模拟的意义
1.5 水沙数学模型的研究现状
1.5.1 一维水沙数学模型的发展
1.5.2 二维水沙数学模型的发展
1.5.3 三维水沙数学模型的发展
1.6 水沙数学模型存在的主要问题
1.6.1 不规则边界的处理
1.6.2 动边界的处理
1.6.3 阻力问题
1.6.4 水流挟沙力问题
1.6.5 床沙及悬移质级配的沿程变化问题
1.6.6 模型验证问题
1.7 本文研究的主要内容和所采用的主要方法
2 数值模拟基础理论
2.1 数值计算方法
2.1.1 特征线法
2.1.2 有限差分法
2.1.3 有限分析法
2.1.4 有限元法
2.1.5 边界单元法
2.1.6 有限体积法
2.2 紊流数值模拟的方法
2.2.1 雷诺时均法
2.2.2 双流体模型
2.2.3 重整化群模型
2.2.4 紊流的高级模拟
2.2.5 低雷诺数流动模拟方法
2.3 数值模拟中的网格划分与边界处理方法
2.3.1 贴体坐标
2.3.2 加快收敛的方法
2.3.3 自由水面的模拟方法
2.4 小结
3 弯道水流与泥沙运动特性
3.1 概述
3.2 弯道水流特性
3.2.1 弯道水面形态及超高
3.2.2 弯道中的环流
3.3 弯道水流的紊动强度及阻力特性
3.4 弯道床面剪切力的分布
3.5 弯道输沙特性
3.5.1 泥沙起动
3.5.2 弯曲河道中的泥沙起动
3.5.3 弯曲河道中输沙率公式
3.5.4 河湾冲深与泥沙的分选性
3.6 小结
4 数值模拟在本文中的运用
4.1 概述
4.2 本文采用数值模拟方法
4.2.1 VOF模型
4.2.2 Eulerian 模型
4.2.3 k~ ε双方程模型
4.2.4 本文计算网格及边界条件
4.2.5 有限体积法中方程的积分离散和求解
4.3 小结
5 弯道冲淤与环流结构分析
5.1 弯道冲淤分析
5.1.1 弯道泥沙冲淤机理分析
5.1.2 弯道泥沙冲淤数值模拟结果
5.1.3 冲淤结果分析
5.2 弯道环流结构分析
5.2.1 弯道环流机理
5.2.2 弯道断面速度场分布图
5.2.3 弯道水流动力轴线分析
5.2.4 弯道环流结构分析
5.2.5 环流作用下的泥沙冲淤变化分析
5.2.6 小结
6 弯道泥沙输移及环流实验分析
6.1 实验设备
6.2 实验分析
6.2.1 清水流场环流实验
6.2.2 弯道冲淤实验
6.3 实验小结
7 结论
参考文献
符号说明
图表附录
作者在读期间发表的论文及参加的科研项目
声明
致谢
发布时间: 2005-10-17
参考文献
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