溃坝及洪水演进的数值模拟研究

论文摘要

人类修建了许多重要的水工建筑物——水库、大坝和堤防工程。水库、大坝有蓄水、防洪、灌溉、发电等造福于人类的功能,河流两岸的堤防保护人类免于洪水灭顶之灾。然而受一些自然力或人为因素的影响,大坝或堤防亦存在溃决的可能,对人类生命和财产具有潜在的巨大危险。溃坝是一种低概率、高危害的社会灾害,一旦发生溃坝,大量水体突然释放而形成的狂暴的洪水会对下游滞洪区造成毁灭性的灾难。早期的溃坝问题主要通过物理模型来进行研究。随着计算机和数值计算方法的不断发展进步,数值模拟成为越来越多的学者在研究溃坝问题时所钟爱的方法,越来越多的体现了数值计算的优越性。时空守恒元和解元法是由S.C.Chang提出的一种新的数值方法,简称CE/SE法。CE/SE方法具有格式简单、稳定性好、计算精度高的特点。数学上,可采用浅水方程来描述溃坝洪水波的流动。本文采用经过张增产等改进的CE/SE方法来离散浅水方程,利用一阶泰勒展开式来逼近通量函数,建立了一维溃坝洪水波的演进数学模型。在此基础上初步探讨了二维溃坝洪水波的数学模型。本位研究的主要内容有:①一维溃坝洪水演进模型的建立及验证应用建立的一维溃坝洪水波的数学模型,考虑河道底坡和河床摩阻的影响,模拟了瞬间全溃的溃坝洪水波演进问题,计算结果与WES的试验值进行了对比和验证。②溃坝洪水波计算模型的实际应用结合具体实际工程项目,利用所建立的模型,预测溃坝时的洪水演进过程,为溃坝洪水的灾害性分析提供科学依据。③基于时空守恒元和解元方法探讨建立二维溃坝洪水波的数学模型应用时空守恒元和解元方法,初步探讨基于结构网格的数值格式建立二维溃坝洪水波的数学模型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的及意义
• 1.3 溃坝的原因及分类
• 1.4 溃坝水流的理论研究
• 1.5 溃坝水流的数值模拟方法
• 1.5.1 特征线法（MOC）
• 1.5.2 有限差分法（FDM）
• 1.5.3 有限元法（FEM）
• 1.5.4 有限体积法（FVM）
• 1.5.5 有限分析法（FAM）
• 1.6 溃坝问题数值模拟发展趋势
• 1.6.1 数值模拟三维溃坝
• 1.6.2 逐渐溃坝模型的建立和完善
• 1.6.3 数值模拟计算可视化与软件化
• 1.6.4 可视化与数值模拟的实时交互
• 1.7 时空守恒元和解元法（CE/SE）
• 1.8 本文研究的主要工作
• 第二章 一维溃坝模型的建立
• 2.1 引语
• 2.2 一维CE/SE 格式
• 2.3 控制方程的离散
• 2.4 相关问题的处理
• 2.4.1 源项的处理
• 2.4.2 边界条件的处理
• 2.4.3 糙率的选取
• 2.5 溃坝型式的分析及必须考虑的问题[34]
• 2.6 溃坝计算所需的基本资料[34]
• 2.7 本章小结
• 第三章 溃坝洪水波的模型验证
• 3.1 前言
• 3.2 模型的可靠性分析
• 3.4 小结
• 第四章 溃坝洪水模型的工程应用
• 4.1 引言
• 4.1.1 工程概况[39]
• 4.1.2 危岩体基本情况
• 4.2 主要计算内容
• 4.2.1 计算范围
• 4.2.2 计算工况
• 4.3 计算结果及分析
• 4.3.1 工况1 发生1/3 溃坝时的计算结果和分析
• 4.3.2 工况2 发生1/2 溃坝时的计算结果和分析
• 4.3.3 工况3 发生全溃时的计算结果和分析
• 4.4 溃坝洪水影响分析与建议
• 4.4.1 影响分析
• 4.4.2 建议
• 第五章 二维 CE/SE 格式溃坝数学模型的初步探讨
• 5.1 引语
• 5.2 控制方程
• 5.3 利用CE/SE 方法离散控制方程
• 5.4 算例
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论著及取得的科研成果