堤坝溃决水流数学模型及其应用研究

论文摘要

我国不少城市都是沿江河而建,有些城市的堤防并未达标,存在着不少险工险段,洪水期间堤防一旦溃决往往给人们的生命和财产造成巨大的损失。因此,研究堤防溃决之后洪水在城区内的演进规律具有重要的现实意义。本文首先建立了基于无结构网格Godunov格式的适于模拟天然堤坝溃决水流运动的二维有限体积模型。该模型采用混合非结构网格离散计算区域;采用Roe格式的近似Riemann解来计算通过界面处的法向通量;应用TVD-MUSCL格式和Hancock格式将模型的空间和时间精度同时提高到二阶;同时模型中采用了一种简单有效的干湿边界处理技术和时间动步长技术。通过几个经典算例和具有实际地形的堤坝溃决算例验证了该模型具有良好的激波捕捉能力和较高的计算精度,同时较好的满足了和谐性,能够模拟比较复杂的工程实际问题。城区地形与天然地形最大的不同在于城区一般分布有密集的建筑物,为模拟建筑物对溃决水流产生的影响,本文采用了三种方法:固壁边界法、真实地形法和加大糙率法。通过物理模型的实测数据对三种方法的计算精度以及适用范围进行了比较和分析后,推荐采用真实地形法。对哈尔滨上游蓄滞洪区的分洪能力以及可能发生的最大洪水进行了计算和分析,得出的结论认为哈尔滨市未来仍有发生溃堤的可能。鉴于此,采用本文二维水流模型对哈尔滨市可能发生的溃堤洪水进行了数值模拟,模型比较合理的模拟了城区溃堤水流的运动,所得的结果合理可靠。为了考虑侵入社区和楼房内的洪水水量,提出了侵入水量的概念,并借用侧堰流的思想给出了这部分水量的估算方法。为了将数学模型的计算结果更直观有效的显示给防洪决策者,本文采用动态链接库技术将数学模型嵌入三维可视化平台,构建了哈尔滨溃堤洪水三维可视化系统,该系统可以实时显示溃堤洪水在城区内的运动过程,利于防洪决策者方便快捷的制定防洪抢险的最佳方案,提升抗洪抢险的工作效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 溃堤洪水灾害
• 1.1.2 溃坝洪水灾害
• 1.1.3 问题的提出
• 1.2 堤坝溃决水流的理论解研究
• 1.3 堤坝溃决水流的特点及数值模拟方法
• 1.3.1 堤坝溃决水流的特点
• 1.3.2 数值模拟的主要途径及方法
• 1.4 堤坝溃决水流数值模拟研究进展
• 1.4.1 溃决水流数值模拟
• 1.4.2 城区溃决水流数值模拟
• 1.4.3 一维、二维模型的耦合计算
• 1.5 城区溃堤洪水三维可视化系统研究现状
• 1.5.1 三维可视化技术
• 1.5.2 数值模拟计算可视化
• 1.5.3 可视化与数值模拟的实时交互
• 1.6 本文的研究思路及主要研究内容
• 1.6.1 研究思路
• 1.6.2 主要研究内容
• 第2章 基于非结构网格的堤坝溃决水流数值模拟
• 2.1 引言
• 2.2 控制方程
• 2.3 方程的非结构化网格离散
• 2.3.1 计算网格的选取
• 2.3.2 控制体的选取
• 2.3.3 有限体积离散
• 2.3.4 法向数值通量计算
• 2.3.5 空间二阶精度数值重构
• 2.3.6 时间二阶积分
• 2.4 源项的处理
• 2.4.1 复杂地形下的静水问题
• 2.4.2 底坡源项的离散
• 2.4.3 摩阻源项的处理
• 2.5 边界条件
• 2.5.1 急流开边界条件
• 2.5.2 缓流开边界条件
• 2.5.3 固壁边界条件
• 2.6 干湿边界处理技术
• 2.7 稳定条件及时间动步长技术
• 2.8 本章小结
• 第3章 二维堤坝溃决水流数学模型验证
• 3.1 引言
• 3.2 经典算例验证
• 3.2.1 非对称方形溃坝算例
• 3.2.2 超临界流倾斜水跃算例
• 3.2.3 二维对称矩形溃坝算例
• 3.2.4 非平底溃坝水流算例
• 3.2.5 混合流算例
• 3.2.6 三角堰溃坝水流算例
• 3.3 具有实际地形的堤坝溃决算例
• 3.3.1 Toce 河物理模型溃坝试验
• 3.3.2 Malpasset 大坝天然溃坝算例
• 3.4 城区堤坝溃决水流数值模拟
• 3.4.1 模型中建筑物的处理方法
• 3.4.2 各方法性能的比较与适应范围
• 3.5 本章小结
• 第4章 一维、二维全耦合水动力模型及验证
• 4.1 引言
• 4.2 河道一维水动力模型
• 4.2.1 控制方程及其离散
• 4.2.2 Saint-Venant 方程组的 Newton-Raphson 迭代形式
• 4.2.3 特殊节点的处理
• 4.2.4 系统方程的装配和求解
• 4.3 一维、二维模型的耦合及求解
• 4.3.1 模型耦合条件
• 4.3.2 模型求解过程
• 4.4 耦合模型的验证
• 4.4.1 验证算例的计算条件
• 4.4.2 计算结果分析
• 4.4.3 验证算例的改进
• 4.5 本章小结
• 第5章 哈尔滨市防洪预案――分洪措施研究
• 5.1 引言
• 5.2 概述
• 5.2.1 流域水系概况
• 5.2.2 哈尔滨段洪水特征
• 5.2.3 哈尔滨上游分蓄洪工程
• 5.3 松北分洪区分洪效果研究
• 5.3.1 计算区域选择
• 5.3.2 计算条件确定
• 5.3.3 分洪效果分析
• 5.3.4 溃堤洪水的演进规律
• 5.4 胖头泡蓄滞洪区分洪效果研究
• 5.4.1 胖头泡蓄滞洪区概况
• 5.4.2 河道洪水还原计算
• 5.4.3 溃堤洪水模拟分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 哈尔滨城区溃堤水流数值模拟研究
• 6.1 引言
• 6.2 哈尔滨水文概况
• 6.2.1 地理位置
• 6.2.2 气候特征
• 6.2.3 历史洪水概况
• 6.2.4 城市防洪工程现状
• 6.2.5 发生稀遇大洪水的可能性
• 6.3 侵入水量的概念
• 6.3.1 侵入系数的定义
• 6.3.2 极限侵入水量的概念
• 6.4 哈尔滨城区溃堤水流计算基础信息
• 6.4.1 计算区域的选取
• 6.4.2 计算条件的确定
• 6.5 计算结果分析
• 6.5.1 城区溃堤水流特性分析
• 6.5.2 网格精度的敏感性分析
• 6.5.3 侵入系数的敏感性分析
• 6.5.4 城区洪水淹没过程分析
• 6.6 本章小结
• 第7章 哈尔滨城区溃堤水流三维可视化系统
• 7.1 引言
• 7.2 系统开发原则及总体框架
• 7.2.1 开发原则
• 7.2.2 总体框架
• 7.3 三维可视化平台的建立
• 7.3.1 数据库设计
• 7.3.2 三维可视化平台的建立
• 7.4 数学模型的嵌入技术
• 7.4.1 数学模型的封装方法
• 7.4.2 数学模型的嵌入
• 7.5 可视化平台的功能与应用
• 7.5.1 信息的集成查询与更新显示
• 7.5.2 基于数学模型的决策支持
• 7.6 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 本文创新点
• 8.3 研究展望
• 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