明渠弯道水流泥沙运动的三维数值模拟研究

发布时间：2020-10-26 08:40

　　 在自然界中河流弯道是普遍存在的,弯段和直段可以说是河道的基本构成单元。理想化弯道水流泥沙运动的规律是研究天然河流中水流泥沙运动的理论基础。研究弯道水流泥沙运动的传统方法是采用相似准则取一定比尺的物理模型试验来进行的。虽然物理模型试验自身有许多优点,但也存在很多不足。随着科技的发展,尤其是计算机技术的进步,数值模拟已经成为研究弯道水流泥沙运动规律的一个重要方法,并且得到广泛的应用。弯道水流泥沙运动有着自身独特的边界条件和几何特征,由于离心力的存在,使得水流在弯道内出现了水面超高现象,从而产生了径向的压力差。在离心力和径向压力差的相互作用下,弯道水流产生了特有的运动方式——弯道环流运动,即在弯道中水流呈现复杂的三维螺旋流运动。由于弯道横向环流的存在,从而引起了泥沙的横向输运,造成了弯道凹岸侧冲刷、凸岸侧淤积的冲淤特性。本文从理论上对弯道水力特性、泥沙输运进行了分析,并阐述了弯道弯曲度对弯道水力特性和泥沙输运的影响。本文利用软件MIKE3中的水动力模型和泥沙输运模型进行三维数值模拟研究。水动力模型的控制方程为连续性方程和动量守恒方程,并且采用k-?紊流模型封闭;泥沙输运模型中只考虑推移质的输运作用。通过对渠宽一定,弯曲度为30°、60°、90°、120°、150°和180°这六种弯道分别进行三维数值模拟研究,并分析水力特性和河床冲淤的模拟结果得到:弯曲度不仅影响了水面横比降和水面超高的变化情况,还影响了底层平均流速的变化情况;纵向、横向流速的变化情况以及环流位置的变化情况也受到弯曲度的影响;河床的冲淤变化情况同样也受到弯曲度的影响。根据受弯曲度影响的水力特性和河床冲淤的变化情况,总结弯曲度对各水力特性和河床冲淤的影响规律。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TV142
【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 弯道水流的研究现状
        1.2.1 弯道的水面横比降
        1.2.2 弯道的水面超高
        1.2.3 弯道纵向垂线平均流速分布
        1.2.4 弯道环流
        1.2.5 弯道泥沙输运特性及河床变形
    1.3 弯道水流数值模拟的研究现状
        1.3.1 水沙数学模型的研究现状
    1.4 今后弯道水流运动的研究方向
    1.5 本文研究主要内容
2 弯道水流的理论基础
    2.1 弯道水流形态特性
        2.1.1 水面横比降
        2.1.2 水面超高
        2.1.3 弯道平均流速
        2.1.4 弯道环流
3 弯道水流的三维数值模拟
    3.1 离散化方法概述
    3.2 湍流模型
        3.2.1 零方程模型
        3.2.2 单方程模型
        3.2.3 两方程模型
    3.3 控制方程
        3.3.1 水动力模型的控制方程
        3.3.2 泥沙输运模型的控制方程
    3.4 模型离散
        3.4.1 方程离散
        3.4.2 空间离散
    3.5 模型验证
        3.5.1 水动力模型验证
        3.5.2 泥沙输运模型验证
4 模型建立
    4.1 物理模型
    4.2 网格划分
    4.3 模型参数
    4.4 本章小结
5 数值模拟结果与分析
    5.1 弯道水流结构分析
        5.1.1 弯道弯曲度对水面超高和横比降影响
        5.1.2 弯道弯曲度对弯道流速的影响分析
        5.1.3 弯道弯曲度对弯道纵向流速的影响
        5.1.4 弯道弯曲度对弯道横向流速的影响
        5.1.5 弯道横向环流的结果与分析
    5.2 泥沙冲淤分析
        5.2.1 弯道床底冲淤结果分析
        5.2.2 典型弯道断面地形冲淤变化分析
6 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】

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本文编号：2856773