论文题目: 河口粘性泥沙输运数值模拟——以长江口为例
论文类型: 博士论文
论文专业: 水力学及河流动力学
作者: 周杰
导师: 汪德爟
关键词: 粘性沙,河口,长江,河床演变,数值模拟,有限单元法
文献来源: 河海大学
发表年度: 2005
论文摘要: 泥沙输运的不平衡是河道、河口河床演变的物质基础,而影响泥沙输运的动力因素较为复杂,尤其是自然界存在的挟沙水流往往是紊流。修建水库、航道建设、治河工程等迫切需要掌握泥沙输运的规律,了解工程前后的泥沙运移过程的变化,预测未来河床、河势的发展,以便对工程的环境和生态影响、经济效益周期等进行可靠的评价。建立在泥沙运动力学、河床演变学、流体力学等多学科基础上泥沙输运数值模拟便孕育而生,成为人们了解乃至掌握部分水域的泥沙运动机理的重要工具。 本文就河口粘性泥沙数值模拟的理论与方法展开了研究。首先根据河口地区河床常为淤泥质河床的特点,提出了分层河床固结概念模型,更真实地反映了河床演变的动力过程。并根据长江口絮凝体的特征,建立了针对长江口的基于有效抑制流速的絮凝度经验表达式,该表达式反映了流速大于破碎流速时,流体的紊动对形成絮凝体的抑制作用。依据絮凝体沉速的测定率定了絮凝体的分形维数,由此计算长江口粘性沙的沉速与Rouse拟合法获得的沉速范围一致。其次利用高效的数值计算方法提高了有限元方法的计算效率,为河床演变的长期模拟提供了有力的数值方法。最后提出了垂向涡粘性系数垂线平均值的经验表达式,由于该方法避免了紊流模型,因此具有稳定、高效、简单易用的特点。 在本文建立的模型理论的基础上,尝试了建立了平面二维、基于σ坐标的三维水沙数学模型,并应用于长江河口的粘性沙输运过程的数值模拟,得到了较好的验证。
论文目录:
前言
摘要
ABSTRACT
目录
图列表
表列表
符号表
第一章 绪论
1.1 泥沙基础理论研究国内外进展
1.1.1 学派
1.1.2 河口挟沙力研究进展
1.1.3 推移质输沙率研究的进展
1.1.3 粘性沙研究的发展
1.1.4 近底床泥沙交换研究
1.2 泥沙数学模型的研究进展
1.2.1 数值方法的综述
1.2.2 泥沙数学模型的研究进展
1.2.3 泥沙数学模型尚需要进一步研究的课题
1.3 长江口泥沙特性及输运规律研究进展
1.4 本文研究的内容
第二章 粘性沙数学模型的建立
2.1 河床概念模型
2.1.1 基本假定
2.1.2 数学模型实现
2.2 固结模型
2.2.1 固结量的计算
2.2.2 固结对临界切应力的影响
2.2.3 固结对恢复饱和系数的影响
2.3 絮凝在数学模型中的实现
2.3.1 絮凝临界粒径及粒径的影响
2.3.2 盐度对絮凝的影响
2.3.3 泥沙含量对絮凝沉降速度的影响
2.3.4 流速对絮凝的影响
2.3.5 温度的影响
2.3.6 絮凝对沉速的影响
2.3.7 絮凝在数值模拟中的计算过程
2.4 挟沙能力公式的率定
2.4.1 絮凝对挟沙能力的影响
2.4.2 波浪掀沙对挟沙能力的贡献
2.4.3 潮流挟沙能力的贡献
2.4.4 分组挟沙力计算
2.5 推移质输沙率的计算
2.5.1 推移质输沙率计算公式
2.5.2 长江口推移质输沙率计算
2.5.3 结论
2.6 有限元方法的内存和效率探讨
2.6.1 线性方程组的系数矩阵的压缩存储
2.6.2 预条件双共轭梯度法
2.6.3 高效性验证
2.6.4 结论
2.7 本章小结
第三章 平面二维泥沙输运数值模拟
3.1 河口泥沙输运平面二维数学模型框架的构建
3.2 基本方程及其数值方法概述
3.2.1 基本方程
3.2.2 数值方法概述
3.3 平面二维浅水方程的数值方法
3.3.1 动量方程的数值方法
3.3.2 连续方程的求解
3.4 平面二维泥沙数学模型的数值方法
3.4.1 平面二维悬沙输运方程的数值方法
3.4.2 河床变形方程的数值方法
3.5 恢复饱和系数的探讨
3.6 一些技术问题
3.6.1 动边界的处理
3.6.2 水平涡粘性系数的选取
3.6.3 糙率的取值问题
3.7 算例
3.7.1.丁坝坝头冲刷模拟
3.7.2 长江河口平面二维粘性泥沙数值模拟
3.8 本章小结
第四章 三维水沙数值模拟研究
4.1 河口粘性泥沙输运三维数值模拟的框架
4.2 基本方程
4.2.1 水流基本方程
4.2.2 泥沙、盐度输运方程
4.2.3 河床变形方程
4.2.4 边界条件
4.3 三维水沙数学模型的数值方法
4.3.1 三维浅水方程的数值方法
4.3.2 泥沙、盐度输运方程的数值方法
4.3.3 河床变形方程的数值方法
4.4 涡粘性系数的选取
4.4.1 垂向紊动粘性系数的垂线平均值的确定
4.4.2 有效性验证算例
4.4.3 垂线平均紊动粘性系数选取经验公式的意义
4.5 三维悬沙数学模型的一些技术问题
4.5.1 冲刷系数M_e的选取
4.5.2 淤积系数M_d的选取
4.5.3 底部切应力的计算方法
4.5.4 摩阻流速的计算
4.6 三维水沙数学模型算例
4.6.1 含沙量垂向分布的验证
4.6.2 长江口的三维泥沙数学模型
4.7 本章小结
第五章 结论与展望
5.1 主要结论和创新
5.2 不足之处与未来需要加强的工作
参考文献
附录A 三角形线性单元的性质
附录B 二维浅水方程扩散波动过程离散的推导
附录C 二维悬沙输运方程扩散过程离散的推导
附录D 垂向对流扩散方程离散的推导
附图
致谢
论文发表及录用情况
发布时间: 2005-07-07
参考文献
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