温度分层水库中密度流运动特性研究

发布时间：2018-01-23 09:08

本文关键词： 温度分层密度流间层流分层强度水库泥沙间层流　出处：《武汉大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：大型水库修建蓄水后,形成庞大的水域,库区内的水体流动缓慢或趋于静止,在太阳辐射下,水库内的水体在垂向上呈现季节性温度分层的现象。入库水体与环境水体之间存在密度差异和水库水体温度分层的存在,入库水流在温度分层水库中会形成不同形态密度流,包括表层流、间层流和底层流。密度流在水库中运动形态的不同,会直接影响入流水体中含有的营养物质、污染物或者泥沙颗粒在水库中的运动和分布,进而影响水质及水生态环境。因此研究温度分层水体中密度流的运动特性,对掌握温度分层水库中营养物质、污染物和泥沙颗粒的输移规律具有重要的意义。本文在实验室内实现水体稳定温度分层的基础上,通过理论分析、水槽试验和数值模拟相结合的方法,对温度分层水体中密度流运动特性,尤其是间层流的运动特性进行了研究。首先,分析了入流条件和分层条件对间层流形成的影响,探讨了温度分层水体中间层流的运动机理；其次,理论推导了分层强度对间层流运动时间的影响,并通过模型试验和数值模拟进行验证；最后,研究了挟沙水流在温度分层水体中的泥沙间层流现象。主要的研究内容如下：1、在试验水槽中,通过多个加热棒等高度等温度的加热方式实现了环境水体的垂向温度分层,并且垂向的温度分层在横向方向上基本保持一致；研究了温度分层的环境水体下的密度流运动,表明了温度分层是水库中能够产生“夹心层”的间层流运动的基础。2、研究了温度分层水体中间层流的形成过程。理论分析了入流条件和分层条件对分离点深度和间层流厚度的影响,与试验结果一致。以间层流中心的高度来表征密度流的侵入深度,试验结果表明温度分层水体中间层流的侵入深度与入流流体的浮力通量和环境水体的分层强度有关。温度分层水体中,入流和温度分层水体之间还存在着温度掺混,温度掺混是导致温度分层水体中的间层流侵入深度较小的主要原因。3、采用立面二维的RNG k-ε模型模拟了温度分层环境水体中的表层流、间层流和底层流运动。研究了不同温度的入流水体在同一温度分层环境下的密度流运动,结果表明入流和分层的环境水体之间的掺混作用对密度流的运动形态有着重要影响,密度流在温度分层环境下的运动过程中还存在温度掺混。提出了用掺混系数Γ3来定量化地描述密度流在运动过程中的温度掺混,采用无量纲参数Ric来描述掺混作用对密度流运动形态的影响,当Ric1时,入流水体在环境水体中会形成间层流；当Ric1时,入流水体会形成底层流。4、理论分析了温度分层强度对分层水体中间层流运动时间的影响,并通过水槽试验及数学模拟进一步研究了不同分层强度下的间层流运动。研究结果表明间层流在分层水库中的运行时间随着环境水体分层强度的增加而减小。5、试验观测了含沙水流在温度分层水体中的泥沙间层流运动。当泥沙颗粒足够细的时候,含沙水流在温度分层水体中能够形成间层流运动。考虑了泥沙颗粒大小对含沙水流运动的影响,建立了模拟温度分层水体中含沙水流运动的立面二维数学模型,并对不同粒径下的含沙水流运动进行了模拟计算。计算结果表明,泥沙颗粒的粒径越小,含沙水流在分层水体中越容易以泥沙间层流的形式运动；当泥沙颗粒的粒径较大时,含沙水流基本上以底层流的形式运动。
[Abstract]:In this paper , the influence of inflow condition and stratification condition on laminar flow in layered water body is studied . In this paper , the influence of temperature stratification intensity on laminar flow velocity in stratified water body is analyzed . The results show that the running time of laminar flow in stratified reservoir is decreased with increasing of layered intensity of environment water .

【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV697.21

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