弯道冲淤与河口盐度输运三维数值模拟研究及应用

发布时间：2018-03-06 04:06

本文选题：三维水动力模型　切入点：非结构化网格　出处：《大连理工大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：蜿蜒曲折是天然河流的常态。弯曲河道二次流与主流结合所形成的复杂三维螺旋流动在河道悬移质泥沙混合扩散、推移质泥沙输移和河床冲淤变形等方面均起到关键作用。冲积河流的河床切应力分布和泥沙输运很大程度上取决于二次流的强度和动量重分配结果,因此,准确模拟冲积河道的二次流特性是河流数值模拟研究工作中的重点。弯曲河道二次流横向输沙所形成的横向底坡是平衡二次流逆底坡输沙,使河床达到冲淤平衡的关键,同时其也能引起推移质输沙方向的偏移,而河床变形也会造成河床临界起动切应力的改变,在河流冲淤数值模拟中考虑横向底坡对输沙方向的偏移和河床变形对临界起动切应力的影响关系到模拟的成败。入海河口地区受上游径流、外海潮流、风、波浪和咸淡水掺混等多重复合要素的共同作用,表现出极其复杂多变的动力特征,加之日益增多的河口、岸线整治,航道疏浚和填海围涂等工程措施,人为地改变了河口地区原有的岸线和地貌特征,使其中的水动力和盐度输运条件发生剧烈变化。考虑多重复合要素的影响、拟合不规则的岸线变化和适应复杂的地貌特征以及对密度分层输运问题的把握均对数值模型提出更高的要求。面临诸多具有显著三维特性的强三维流动,以及强三维流动作用下的泥沙混合扩散、盐度分层流动以及地形冲淤变形问题,并伴随着计算机硬件技术的快速发展和数值模型理论的日趋成熟,对于三维精细流场、物质输运的模拟得以广泛的应用并逐渐成为解决水利工程问题重要的研究工具。本文以流体质量和动量守恒定律、泥沙运动理论、数值离散方法、代数方程组解法等基础理论为支撑,以计算机编程技术为手段,围绕弯曲河道的流动、泥沙输运和地形冲淤变形以及入海河口潮流场和盐度输运过程开展研究,建立了河流、河口地区完全三维的非静压水动力、物质输运和河床冲淤数值模型,并将其分别应用于长江尺八口弯段河床冲淤变形和温州瓯江河口潮流场和盐度输运过程的研究。模型在水平方向上采用非结构化的三角形网格,垂向上采用边界适应坐标系,对于不规则曲折岸线和复杂地貌特征的天然河道、海岸和岛屿等具有较强的边界拟合能力。基于变量交错定义的方式,运用Perot格式和一阶迎风格式的有限体积方法对模型控制方程和紊流模型进行离散,采用分层积分和显示两步投影方法求解N-S方程,通过采用预处理共轭梯度方法求解具有对称正定性质的压力Poisson方程,能有效地保证质量守恒并提高方程组的求解效率。包含考虑垂向加速度的非静水压力项,精确给定表层0压力边界条件的完全三维非静压模型对于模拟自由水面快速波动、局部流场剧烈变化(桥墩、丁坝和局部冲坑等)、地形突变(潮汐沟、人工开挖航槽和潜堤等)以及密度分层等三维特性显著的强三维流动问题具有更广泛的适用性。模型求解关于盐度输运和考虑泥沙沉速项的悬移质泥沙输运的对流-扩散方程,以及经验或半经验的推移质输沙率公式求解推移质输沙率。对于弯道河床冲淤变形所引起的河床临界起动切应力变化和弯道二次流输沙形成的横向底坡所造成的推移质输沙方向的偏移,模型分别采用Van Rijn河床临界起动切应力修正方式和三种不同的考虑横向底坡导致输沙方向偏移的方法(Struiksma、Ikeda和Engelund横向底坡输沙模型)对输沙模型进行改进,以适用于弯曲河道输沙和地形冲淤变形的模拟。此外,模型建立了均质泥沙在平衡输沙情况下耦合或半耦合的地形冲淤演化数值模型,具备模拟平衡冲淤前非恒定的地形冲淤演变过程的能力。通过一系列经典弯曲水槽试验(193°,140°,180°和S型水槽)对模型模拟弯曲水槽流动、泥沙输运和地形冲淤变形特性的验证和长江下荆江河段尺八口弯段流动和地形冲淤模拟的应用,以及波浪通过潜堤、斜压异重流算例的验证和温州瓯江河口南口堵口工程实施前后,对河道行洪、堤岸冲刷、口门纳潮量、盐水入侵等几个方面的工程影响的对比分析,显示模型具备解决实际工程问题的能力。
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【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TV148

【参考文献】