三峡葛洲坝通航水流数值模拟及航运调度系统研究

论文摘要

三峡工程建成运用后,两坝间航道将成为长江中下游与上游航运的“瓶颈”。本文基于水流数学模型、GPS定位技术及三维虚拟仿真技术等,建立了庙河至虎牙滩河段的航运监控调度系统,对该河段的通航水流条件与航运监控调度的功能等进行了研究,对促进水利学科的发展与生产应用均具有重要的意义。论文取得了下述1、2两项创新成果,完成了与之相关的研究内容:1建立了船舶航线优选模型,研究了船舶航行速度、船舶与水流方向交角以及过江时间三者之间的关系。采用此模型研究得出,莲沱至南津关河段的通航时间增加10.7天,相当于增加155万吨的通过能力,具有巨大的经济效益。2建立了集数据库、数学模型、GPS和三维仿真为一体的三峡航运监控调度系统,实现了系统中各模块之间的交互;系统具有三维场景漫游、查询、定位、数据资料的列表与实时显示、监控预警与应急处理和航运调度等功能,为制定航运调度方案提供了整体直观的支持平台。3研发了二、三维水流数学模型。运用室内弯道以及庙河至虎牙滩河段的实测资料,对模型进行了验证与合理性分析,结果表明,模型计算结果与实测资料基本吻合,可用于庙河至虎牙滩河段的通航水流条件研究。4三峡水库运行初期,坝区河段流速大幅度减小,航运效益显著提高;宜昌河段在流量为4000～40000 m 3 /s条件下,能满足万吨级船队的航行条件,但当流量增至45000 m 3 /s时,万吨级船队通航存在困难。5在不考虑泥沙冲淤变化的情况下,三峡电站在枯水季节的日调节期间,两坝间河段的通航水流条件满足大吨位船舶的航行条件;在葛洲坝坝前水位为66.0m时,两坝间万吨级船队通航限制流量约为30000 m 3 /s ;当葛洲坝坝前水位降至63.0m时,相应的流量减小到25000 m 3 /s。若提高船舶上行限制流速至3.5 m /s时,两坝间河段的通航限制流量可增加至40000 m 3 /s。6运用GPS差分定位技术设计了船舶监控系统,可对庙河至虎牙滩之间水域的船舶定位和跟踪,进而实现对该水域船舶的科学调度和船舶过坝管理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 水流数值模拟研究进展
• 1.2.1 紊流模型研究进展
• 1.2.2 三维紊流模型研究进展
• 1.2.3 数值计算方法
• 1.3 GPS 定位技术应用现状
• 1.4 三维可视化与数值模拟结合的研究现状
• 1.4.1 数值模拟计算可视化
• 1.4.2 数值模拟可控性研究
• 1.4.3 可视化与数值模拟的实时交互
• 1.5 本文的主要工作
• 第2章 二维水流数学模型
• 2.1 计算网格
• 2.1.1 网格分类
• 2.1.2 正交曲线网格生成的基本原理
• 2.1.3 计算实例
• 2.2 平面二维水流数学模型的控制方程
• 2.2.1 直角坐标下的水流运动基本方程
• 2.2.2 正交曲线坐标系下的水流运动基本方程
• 2.2.3 定解条件
• 2.2.4 模型中有关问题的处理
• 2.3 水流基本方程的离散及求解
• 2.3.1 通用形式的控制方程
• 2.3.2 通用控制方程的离散
• 2.3.3 离散数方程的求解及收敛标准
• 2.4 模型验证及计算比较分析
• 2.4.1 模型验证
• 2.4.2 两种模式计算结果的比较
• 本章小结
• 第3章 三维水流数学模型
• 3.1 三维水流数学模型的控制方程
• 3.1.1 直角坐标系下三维水流运动的控制方程
• 3.1.2 曲线坐标系下三维水流运动的控制方程
• 3.2 定解条件
• 3.2.1 初始条件
• 3.2.2 进口条件
• 3.2.3 出口控制条件
• 3.2.4 固壁边界条件
• 3.2.5 自由水面边界条件
• 3.3 水流控制方程的离散及求解
• 3.3.1 水流控制方程的离散
• 3.3.2 压力与速度耦合求解
• 3.4 自由水面处理
• 3.5 模型验证
• 本章小结
• 第4章 庙河至虎牙滩河段水流数学模型验证
• 4.1 庙河至虎牙滩河段的二维水流数学模型验证
• 4.1.1 庙河至三峡大坝上游河段
• 4.1.2 两坝间河段
• 4.1.3 宜昌河段
• 4.2 两坝间河段的三维水流数学模型验证
• 本章小结
• 第5章 庙河至虎牙滩河段通航水流条件研究
• 5.1 庙河至三峡坝上游河段通航水流条件研究
• 5.2 宜昌河段通航水流条件研究
• 5.3 两坝间河段通航水流条件研究
• 5.3.1 枯水期日调节通航水流条件研究
• 5.3.2 洪水期通航水流条件研究
• 5.4 水田角卡口段航道整治工程研究
• 5.5 航线优选模型
• 5.5.1 基础资料
• 5.5.2 优选航线
• 5.5.3 船舶跨江角度
• 本章小结
• 第6章 GPS 定位技术在航运监控调度系统中的应用
• 6.1 GPS 概述
• 6.2 GPS 定位的基本原理
• 6.3 GPS 数据格式及坐标转换
• 6.3.1 GPS 数据格式
• 6.3.2 坐标转换
• 6.4 GPS 在三峡航运监控调度系统中的应用
• 6.4.1 系统总体框架
• 6.4.2 GPS 船舶监控系统的构成
• 6.4.3 GPS 船舶监控系统的主要功能
• 本章小结
• 第7章 三峡航运监控调度系统应用研究
• 7.1 引言
• 7.2 系统架构
• 7.3 系统模块的建立及其交互
• 7.3.1 数据库设计
• 7.3.2 三维可视化平台的建立
• 7.3.3 三维可视化与数据库的实时交互
• 7.3.4 三维可视化与数学模型的交互
• 7.3.5 三维可视化与GPS 定位信息的交互
• 7.4 系统的功能及其应用
• 7.4.1 三维场景定位与漫游
• 7.4.2 信息集成查询与显示
• 7.4.3 系统的监控预警与应急处理功能
• 7.4.4 系统的调度功能
• 7.4.5 船舶航行模拟仿真
• 本章小结
• 结论与展望
• 主要结论
• 研究展望
• 参考文献
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果