论文摘要
本文基于连续介质理论框架下的两相流理论,分别建立了直角坐标系和非正交曲线坐标系下的三维κ-ε-Ap和κ-ε-κp固液两相双流体湍流模型,研究水沙的运动特性以及泥沙运动引起的床面变形;同时在三维κ-ε-Ap固液两相双流体湍流模型的控制方程中考虑植被对水流的阻力作用以及植被存在诱发的水流湍动动能增加的效果,建立了考虑植被影响的三维κ-ε-Ap固液两相双流体湍流模型,研究水生植被对水流泥沙运动以及床面变形的影响。通过全面分析国内外三维水沙数学模型的进展,指出了目前三维水沙数学模型存在的几点不足,提出采用连续介质理论框架下的双流体模型研究固液两相湍流运动的优势,并在周力行和刘大有两位学者所建立的两相流理论的基础上,推导出张量形式的κ-ε-κp固液两相双流体湍流模型和考虑植被影响的κ-ε-Ap固液两相双流体湍流模型。建立了直角坐标系下的三维κ-ε-Ap和κ-ε-κp固液两相双流体湍流模型,采用有限差分法求解模型的控制方程,通过数值计算试验室小型顺直水平和垂直方管内挟沙水流中的泥沙颗粒数密度、液相时均流速、固相时均流速、液相脉动流速和固相脉动流速的三维分布,并与试验测量结果进行比较,验证了所建立的三维κ-ε-Ap和κ-ε-κp固液两相双流体湍流模型在研究固液两相湍流方面的可靠性,展示了κ-ε-κp固液两相双流体湍流模型相对于κ-ε-Ap固液两相双流体湍流模型的优势。建立了非正交曲线坐标系下的三维κ-ε-κp固液两相双流体湍流模型,曲线坐标系中的ξ-η平面严格正交,ξ-ζ面和η-ζ平面非正交,采用有限体积法求解模型的控制方程,通过计算S型弯道内的水流运动验证了所建立的模型中液相模块的准确性:通过模拟120°弯道内水流和泥沙的运动验证了所建立的模型中悬沙模块的准确性:通过模拟120°弯道和180°弯道内的水流运动、悬沙运动、床沙运动和床面变形,验证了所建立的模型中床面变形模块的准确性。经过详细比较三维固液两相单流体湍流模型和三维κ-ε-κp固液两相双流体湍流模型在水沙两相流动和床面变形数值结果中的异同之后,认为三维κ-ε-κp固液两相双流体湍流模型能够更加准确地模拟弯道内水流的横向流速对泥沙横向运动的影响。在非正交曲线坐标系下的三维κ-ε-Ap固液两相双流体湍流模型的相关控制方程中添加植被阻力项或者植被诱发的湍动动能生成项,建立了考虑植被影响的三维κ-ε-Ap固液两相双流体湍流模型,通过计算顺直水槽中全部宽度内布置淹没或者非淹没的水生植被后水流的垂直结构、顺直水槽内局部区域布置非淹没的水生植被后水流的平面结构、60°弯曲水槽内局部区域布置非淹没的水生植被后水流的三维运动结构验证了模型中液相模块的准确性;通过计算顺直水槽内布置淹没的水生植被后的水流和悬沙的运动研究了植被对悬沙运动的影响;通过计算顺直水槽内局部区域布置水生植被后的水流泥沙运动和床面变形情况以及60°弯曲水槽内局部区域布置非淹没的水生植被后的水流泥沙运动和床面变形情况验证了模型中床面变形模块的准确性。床面变形的数值结果之间的比较表明考虑植被影响的三维κ-ε-Ap固液两相双流体湍流模型的精度比三维固液两相单流体湍流模型的精度高。
论文目录
摘要Abstract1 绪论1.1 研究的目的和意义1.2 国内外研究概况1.2.1 三维水流泥沙数学模型的研究进展1.2.2 一维与二维水流泥沙数学模型1.2.3 考虑水生植被影响的水流泥沙数学模型的研究进展1.2.4 三维固液两相单流体湍流模型的不足1.2.5 固液两相流理论在水沙运动特性研究中的应用1.3 本文的研究工作内容2 固液两相双流体湍流模型基本理论2.1 固液两相湍流系统中固体颗粒的受力分析2.2 两相流动的细观守恒方程组2.3 体积平均概念及其关系式2.4 Reynolds时间平均概念及其关系式p固液两相双流体湍流模型'>2.5 κ-ε-κp固液两相双流体湍流模型p固液两相双流体湍流模型'>2.6 考虑植被影响的κ-ε-Ap固液两相双流体湍流模型3 直角坐标系下的三维固液两相双流体湍流模型p固液两相双流体湍流模型'>3.1 直角坐标系下的三维κ-ε-Ap固液两相双流体湍流模型p模型的液相控制方程'>3.1.1 直角坐标系下三维κ-ε-Ap模型的液相控制方程p模型的固相控制方程'>3.1.2 直角坐标系下三维κ-ε-Ap模型的固相控制方程p固液两相双流体湍流模型'>3.2 直角坐标系下的三维κ-ε-κp固液两相双流体湍流模型p模型的液相控制方程'>3.2.1 直角坐标系下三维κ-ε-κp模型的液相控制方程p模型的固相控制方程'>3.2.2 直角坐标系下三维κ-ε-κp模型的固相控制方程p模型和κ-ε-κp模型的数值计算方法和边界条件'>3.3 直角坐标系下三维κ-ε-Ap模型和κ-ε-κp模型的数值计算方法和边界条件p模型和κ-ε-κp模型中控制方程的离散'>3.3.1 直角坐标系下三维κ-ε-Ap模型和κ-ε-κp模型中控制方程的离散p模型和κ-ε-κp模型的边界条件'>3.3.2 直角坐标系下三维κ-ε-Ap模型和κ-ε-κp模型的边界条件p模型和κ-ε-κp模型的求解过程'>3.3.3 直角坐标系下三维κ-ε-Ap模型和κ-ε-κp模型的求解过程p模型控制方程中两个参数的确定'>3.3.4 直角坐标系下的三维κ-ε-Ap模型控制方程中两个参数的确定p模型在水平方管内固液两相湍流中的应用'>3.4 直角坐标系下的三维κ-ε-Ap模型在水平方管内固液两相湍流中的应用3.4.1 水平方管内两相时均运动特性断面分布的数值结果3.4.2 水平方管内不同颗粒平均粒径条件下的两相时均运动特性3.4.3 水平方管内不同最大水流流速条件下的两相时均运动特性p模型在垂直方管内固液两相湍流中的应用'>3.5 直角坐标系下的三维κ-ε-Ap模型在垂直方管内固液两相湍流中的应用3.5.1 垂直方管内两相时均运动特性断面分布的数值结果3.5.2 垂直方管内不同颗粒平均粒径条件下的两相时均运动特性3.5.3 垂直方管内不同最大水流流速条件下的两相时均运动特性3.6 直角坐标系下的三维κ-ε-κ-p模型在水平方管内固液两相湍流中的应用3.6.1 水平方管内固液两相运动特性断面分布的数值结果p模型和κ-ε-Ap模型数值结果的比较'>3.6.2 水平方管内κ-ε-κp模型和κ-ε-Ap模型数值结果的比较3.6.3 水平方管内固液两相的脉动特性p模型在垂直方管内固液两相湍流中的应用'>3.7 直角坐标系下的三维κ-ε-κp模型在垂直方管内固液两相湍流中的应用3.7.1 垂直方管内固液两相运动特性断面分布的数值结果p模型和κ-ε-Ap模型数值结果的比较'>3.7.2 垂直方管内κ-ε-κp模型和κ-ε-Ap模型数值结果的比较3.7.3 垂直方管内固液两相的脉动特性3.8 小结p固液两相双流体湍流模型'>4 曲线坐标系下的三维κ-ε-κp固液两相双流体湍流模型4.1 坐标转换的基本理论p模型的控制方程'>4.2 曲线坐标系下三维κ-ε-κp模型的控制方程p模型的液相控制方程'>4.2.1 非正交曲线坐标系下三维κ-ε-κp模型的液相控制方程p模型的固相控制方程'>4.2.2 非正交曲线坐标系下三维κ-ε-κp模型的固相控制方程4.2.3 全沙运动模型的控制方程4.2.4 全沙输沙率的计算方法4.2.5 床沙运动模型的控制方程4.2.6 床沙运动方向的确定4.2.7 河床表面坡度对床沙运动的影响4.2.8 床沙与悬沙交界面上悬沙沉降率和床沙上扬率的取值4.2.9 床面变形求解方法p模型的离散过程、边界条件以及求解过程'>4.3 曲线坐标系下三维κ-ε-κp模型的离散过程、边界条件以及求解过程4.3.1 通用方程的离散过程4.3.2 压力校正方程4.3.3 模型的边界条件4.3.4 模型的求解过程p模型中液相模块的验证'>4.4 曲线坐标系下三维κ-ε-κp模型中液相模块的验证p模型中悬沙模块的验证'>4.5 曲线坐标系下三维κ-ε-κp模型中悬沙模块的验证4.5.1 曾庆华的120°弯道水槽试验4.5.2 S型水槽内水沙两相流的运动特性p模型中床面变形模块的验证'>4.6 曲线坐标系下三维κ-ε-κp模型中床面变形模块的验证p双流体湍流床沙模型的验证'>4.6.1 曲线坐标系下三维κ-ε-κp双流体湍流床沙模型的验证p双流体湍流全沙模型的验证'>4.6.2 曲线坐标系下三维κ-ε-κp双流体湍流全沙模型的验证4.7 小结p固液两相双流体湍流模型'>5 曲线坐标系下考虑植被影响的三维κ-ε-Ap固液两相双流体湍流模型5.1 水生植被与水流相互作用的基本理论p模型的控制方程'>5.2 曲线坐标系下考虑植被影响的三维κ-ε-Ap模型的控制方程p模型的液相控制方程'>5.2.1 曲线坐标系下考虑植被影响的三维κ-ε-Ap模型的液相控制方程p模型的固相控制方程'>5.2.2 曲线坐标系下考虑植被影响的三维κ-ε-Ap模型的固相控制方程5.2.3 床沙运动模型的控制方程p模型的边界条件'>5.2.4 曲线坐标系下考虑植被影响的三维κ-ε-Ap模型的边界条件p模型的的数值计算方法'>5.2.5 曲线坐标系下考虑植被影响的三维κ-ε-Ap模型的的数值计算方法p模型中液相模块的验证'>5.3 曲线坐标系下考虑植被影响的三维κ-ε-Ap模型中液相模块的验证5.3.1 水生植被对水流垂向结构的影响5.3.2 水生植被对水流平面结构的影响5.3.3 水生植被对水流三维运动结构的影响p模型中悬沙模块的验证'>5.4 曲线坐标系下考虑植被影响的三维κ-ε-Ap模型中悬沙模块的验证p模型中床面变形模块的验证'>5.5 曲线坐标系下考虑植被影响的三维κ-ε-Ap模型中床面变形模块的验证5.5.1 Tsujimoto等的矩形顺直水槽水沙运动试验5.5.2 Tominaga等的矩形弯曲水槽水沙运动试验5.6 小结结论与展望参考文献创新点摘要攻读博士学位期间发表学术论文情况致谢
相关论文文献
标签：固液两相湍流模型论文; 三维双流体模型论文; 非正交曲线坐标系论文; 水流泥沙运动特性论文; 水生植被论文;
