基于泥沙起动联合概率的推移质输沙公式及泥沙颗粒三维绕流数值模拟研究

发布时间：2020-03-18 08:55

【摘要】：泥沙颗粒的起动和输移是泥沙运动理论以及河流动力学研究的基本问题之一,国内外学者对推移质输沙公式进行了深入研究,相关研究成果在桥墩冲刷和河床演变的数值模拟研究中广泛应用。作为研究泥沙运动的关键点之一,泥沙颗粒的受力被广泛研究和讨论。泥沙颗粒在流场中受重力、颗粒之间的相互作用力以及水流对其施加的上举力和拖曳力的作用。颗粒的受力情况也受到流场状态,颗粒形状,颗粒级配与颗粒间相对位置等多种因素影响。本文在前人研究的基础上,对推移质输沙率公式和床面不同位置的泥沙颗粒三维绕流模拟进行研究,主要研究内容与结论如下:(1)采用理论推导研究方法,对推移质输沙率公式进行理论推导。爱因斯坦推移质输沙率理论和公式得到普遍认可和广泛应用,但在一些细节的处理上仍需要讨论和改进,很多学者对其进行了修正和改进,但床面泥沙随机分布特性至今未被考虑。本文基于前人的研究,引入相对暴露度概念表示床面泥沙颗粒相对位置,基于滚动起动模型,从理论上推导出包含水流随机性和泥沙相对位置随机性的泥沙起动联合概率公式,将其引入爱因斯坦推移质输沙理论,推导出新的输沙率公式。经实测资料验证,本文输沙率公式与实测资料符合良好。(2)采用数值模拟研究方法,基于Fluent软件,对单颗粒泥沙三维绕流进行数值模拟研究。分别采用大涡模拟紊流模型和雷诺平均紊流模型对光滑水槽中的单颗粒泥沙进行了三维绕流数值模拟。比较了不同紊流模型下泥沙颗粒三维流的模拟结果,结果表明,大涡模拟能更清晰地反映颗粒受力的脉动特性,得到更真实的流场形态,在各方面都优于雷诺平均模型;(3)对组合颗粒群三维绕流进行数值模拟研究。构建完全暴露于粗糙床面和完全隐蔽于粗糙床面的泥沙颗粒排列形式,使用大涡模拟模型对不同流速下的三维绕流进行计算模拟,分析了不同流速下研究颗粒的上举力系数和拖曳力系数的数据变化规律和相关的流场变化情况。结果表明,在不同位置下颗粒的两个系数值差异较大,且随流速的变化趋势各不相同。与相关的实验和模拟结果进行对比,本研究结果在数值上存在差异,但在变化规律上和其他研究结果可以符合。水流流过粗糙床面,形成沿水流方向的低速带区域。低速带区域的厚度沿水流方向逐渐增加,发展至水槽末端。随着流速增大,低速带呈数量增加,单宽减小的变化趋势。此外,表层颗粒的存在会使得低速带的形状和空间分布更加不规则。
【图文】：

现象的或然率，，是指有利于出现该现象的情况与所有可面任一颗粒泥沙来说，其冲刷外移的或然率即为其起大于阻止其起动的阻力的机遇。流中，一般认为拖曳力、上举力和重力是泥沙所受到的力的表达式和相对暴露度' 与暴露角θ的关系分别表示2224DDbFCDu 2224LLbFCDu '36W( )gDS 'sin 1 2 ''2cos 2 ( )：CD为拖曳力系数，取值 0.4；CL为上举力系数，取值速； 为颗粒密度；g 为重力加速度。

上举力系数 CD拖曳力系数 CL平均值 均方根 平均值 均方根试验结果 0.398 0.154 0.302 0.077LES 模拟结果 0.282 0.01186 0.374 0.01496RANS 模拟结果 0.308 0.000898 0.125 0.0005043.7.4.2 流场对比图-3-6 和 3-7 分别为不同紊流模型计算出的水流稳定时的流场整体分布图与研究颗粒处流速幅值的示意图。对比两组结果可以发现，大涡模拟紊流模型算例中水面上方存在空气负向流动的现象，流场中水流流速发展更快；对于研究颗粒，水流到达球面后绕过球体继续运动，在颗粒的顶部和底部产生了速度差：颗粒近底部流速比较小，在来流的冲击下，颗粒上部顶点附近均存在一个流速较大的区域，球体后部流速变化较前部剧烈。雷诺平均模拟结果中，水流流速发展较缓慢，虽然颗粒顶部底部也流速差，但是和大涡模拟得出的研究结果相比，颗粒顶部与底部的流速差较小。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV142.2

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本文编号：2588530