水库异重流排沙的双流体模型

论文摘要

我国是一个河流多沙的国家,泥沙的淤积,特别是水库泥沙的淤积,一直是影响水库兴利的首要因素。在水库综合运用调度过程中,泥沙的淤积排泄直接影响到水库的使用寿命及库容的使用效率。运用异重流对水库进行排沙是延长水库寿命并节约清水资源的行之有效的重要方法。由于库区异重流的实地观测存在着诸多困难,因而本文采用数学模型,模拟了库区异重流的产生条件、发展变化,验证水库异重流的流速、浓度分布特点与实际观测数据及物理模型实验所得结果基本相符。同时计算了不同排沙孔口位置设置对排沙比的影响。本文采用双流体模型,先从矩形计算区域出发,分别建立两相的笛卡尔坐标系下的控制方程,后根据水库库区可近似为三角形地形的特点,采用σ坐标变换,将地形标准化,同时,分别将笛卡尔坐标系下的两相控制方程推导转化,得到σ坐标下的两相的控制方程。而后采用有限体积法对控制方程及网格进行离散,运用动量插值法将目前广泛使用的交错网格处理转变为更方便编号编程计算的同位网格进行离散,运用从SIMPLE改进得到的SIMPLER算法进行迭代计算求解。采用本文模型计算得到了水库异重流的潜入点的判断条件为Fr数介于在0.72~1.16之间,该结果与范家骅等人实验得出的结果及官厅、刘家峡水库实际观测资料得到的Fr数为0.78符合较好。水库异重流各个典型断面的速度分布、浓度分布,也与钱宁、范家骅、姚鹏及曹志先等人进行的实际观测数据、物理实验数据及数学模型结果分别进行了对比验证,均得到令人满意的结果。同时本文还分别设置了六种排沙孔口高程位置,计算此六种布置方案所对应的异重流排沙比并进行了比较,得到了水库异重流的排沙比,随排沙孔口高程的增加而减少的结论,同时各排沙比也与水库观测资料符合较好。此外本文还模拟了当来水来沙条件充足时异重流的产生、发展,至坝前从孔口排出,以及当一段时间后来水来沙长条件改变时,异重流消失的全过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 库区水沙模型的研究意义
• 1.1.1 研究库区泥沙淤积问题的重要意义
• 1.1.2 异重流的研究方法
• 1.2 异重流研究的意义及应用
• 1.2.1 异重流的研究意义
• 1.2.2 异重流在水库排沙中的应用
• 1.3 立面二维数值模拟的研究现状
• 1.3.1 立面二维数值模拟的优势
• 1.3.2 现阶段立面二维数值模拟的成果
• 1.3.3 立面二维数值模型的局限性
• 1.4 本文主要工作
• 1.4.1 建立笛卡尔坐标系下立面二维水沙数学模型
• 1.4.2 建立σ坐标系下立面二维水沙数学模型
• 1.4.3 建立同位网格并采用体积积分方法进行方程离散
• 1.4.4 采用双流体模型及SIMPLER 算法模拟库区异重流的形成过程
• 1.4.5 在坝体设置不同排沙孔口，模拟不同工况下异重流排沙过程
• 第2章 立面二维水沙双流体模型研究
• 2.1 笛卡尔坐标系双流体模型
• 2.2 σ坐标系下的数学模型
• 2.2.1 坐标与笛卡尔坐标的转换关系
• 2.2.2 控制方程的转换推导
• 2.3 数学模型的离散方法
• 2.3.1 有限差分法
• 2.3.2 有限元法
• 2.3.3 有限分析法
• 2.3.4 有限体积法
• 第3章 异重流双流体模型的SIMPLER 算法
• 3.1 水库异重流的形成及运动
• 3.1.1 水库异重流的形成
• 3.1.2 水库异重流的运动
• 3.2 两相间的耦合作用
• 3.2.1 应用条件
• 3.2.2 两项方程
• 3.2.3 相间力的计算
• 3.3 同位网格下的SIMPLER 算法
• 3.3.1 同位网格与交错网格
• 3.3.2 动量插值
• 3.3.3 SIMPLER 求解
• 3.4 定解条件
• 3.4.1 初始条件
• 3.4.2 上游进口条件
• 3.4.3 下流出口条件
• 3.4.4 自由表面边界条件
• 3.4.5 固壁边界条件
• 第4章 水库异重流的模拟
• 4.1 异重流潜入点的判断
• 4.2 库区异重流速度分布
• 4.2.1 与钱宁、范家骅等实测流速对比
• 4.2.2 与曹志先模拟结果对比
• 4.2.3 与姚鹏实验数据对比
• 4.3 库区异重流浓度分布
• 4.4 库区异重流持续条件
• 4.5 排沙孔口位置设置对排沙的影响
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.1.1 水库异重流产生判别条件
• 5.1.2 水库异重流各断面速度分布
• 5.1.3 水库异重流各断面浓度分布
• 5.1.4 排沙孔口不同位置对排沙的影响
• 5.2 存在的问题与展望
• 5.2.1 水面模型边界条件
• 5.2.2 河床底部边界条件
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果