基于OpenFOAM的河流入海口水动力关系研究

发布时间：2017-04-17 10:03

  本文关键词：基于OpenFOAM的河流入海口水动力关系研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：河流入海口是一个与广袤的海洋自由沟通且局部封闭的沿海水体,是江河汇入大海、从陆地到海洋、从淡水到咸水的过渡地带。受携带有大量泥沙的径流和潮汐等自然因素的影响形成的河口湾是世界上最具生产力的自然栖息地之一。因而许多有着河流入海口的海岸成为了人类居住最密集的地方,关于河流入海口的水动力机理的研究也成为人们最为关注的研究之一。由于河流入海口独有的河流与海洋交汇的环境,其底床泥沙会对波浪产生的重要影响,所以研究水流和泥沙的相互作用也成为了入海口地区港口与航道工程十分关心的问题。自由表面这个问题与船舶行驶的快速性、稳定性和操纵性等密切相关,通过自由表面的数值模拟,可以更好地把握水流运动特性,为船体等结构的设计提供一定的理论指导,同时也能增强水利工程的可靠性和稳定性。河流从上游到下游,在整个连续的流动过程中任何一处都在进行着搬运与沉积的过程,到达入海口时,在海洋动力作用下速度骤然下降,搬运的泥沙等会在河口附近沉积形成三角洲,这也是海岸工程和环境研究等需要考虑的问题。OpenFOAM是计算流体力学的一个开源软件包,与大多数商业软件一样,分为三个模块：前处理、求解器、后处理。采用有限体积法来求解偏微分方程,并根据C++运算符重载的特点,编译后代码为微积分方程的描述上大为简化,在描述物理问题时更加自然。作为一个开放源代码的软件包,OpenFOAM已经预编译了许多求解器、应用工具和模型等,大大提高了效率和用户程序的可延续性。所以本文采用OpenFOAM来求解河流入海口的水动力问题。基于CFD的开源程序库OpenFOAM中的interFoam求解器,研究了一个三维河床两相自由表面流的数值模型。运用了大波模拟(LES)的湍流模型并使用了流体体积法(VOF)来追踪自由表面。为了研究与预测入海口处夹缝沉积形成有关的入海口的流动模式,主要研究了关于雷诺数和河床斜面的影响。观察到相同的雷诺数情况下,斜坡越长,自由表面波动越剧烈,含氧率也跟着提高；相同斜坡长度时,雷诺数越大,自由表面波动越剧烈,含氧率相应提高。基于OpenFOAM的interMixingfoam求解器构建了一个多相流模型,对河流入海口后泥质海岸线上水体在泥质海床上的传播进行了数值研究,同时对底泥在海床上的传播也进行了研究。通过改变底泥粘度、底泥密度和河流进口的速度,研究了不同特征参数的底泥对水体与底泥在泥床上变化的影响,重点关注了水体的流动的形态、对应的水泥界面响应在其中所起的作用。本文旨在构建一个可适用于一般情况的水体与泥质海床相互作用问题的数值模型,用于观察不同性质底泥和不同入海口流量带来的影响。研究表明,在不同的泥质情况下混泥水运动衰减程度随着底泥由软变硬而先增大后减小,其中较硬泥对于流体的衰减作用最大。在不同河水进口速度时河水进口速度与底泥进口速度越大,引起的泥水混合越加剧烈,导致底泥被托抬。
【关键词】：OpenFOAM 入海口 多相流 自由表面 两相界面
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV143
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1. 绪论9-19
• 1.1 河流入海口研究背景9-13
• 1.1.1 河流入海口自由表面的研究背景10-11
• 1.1.2 河流入海口水体与海床相互作用的研究背景11
• 1.1.3 国内外研究现状11-13
• 1.2 OpenFOAM概况13-18
• 1.2.1 OpenFOAM简介13-14
• 1.2.2 OpenFOAM应用14-18
• 1.3 全文安排18-19
• 2. 数值模型的基本理论19-27
• 2.1 多相流控制方程19-21
• 2.2 湍流模型21-22
• 2.3 数值离散22-25
• 2.3.1 空间域离散23-24
• 2.3.2 时间域离散24-25
• 2.4 界面追踪方法25-27
• 3. 河流入海口自由表面的研究27-35
• 3.1 背景介绍27
• 3.2 数值模型27-31
• 3.2.1 流体基本控制方程27-28
• 3.2.2 有限体积法28-29
• 3.2.3 The Volume of Fluid29
• 3.2.4 湍流模型29-31
• 3.3 几何模型与结果分析31-33
• 3.3.1 模型与边界设置31
• 3.3.2 结果与讨论31-33
• 3.4 总结33-35
• 4 入海口水流与底泥相互作用的研究35-46
• 4.1 河流入海口研究背景35-36
• 4.2 数值模型36-39
• 4.2.1 流体基本控制方程36
• 4.2.2 流体体积法36-37
• 4.2.3 有限体积法37-38
• 4.2.4 柯朗数38-39
• 4.3 模型与结果39-45
• 4.3.1 几何模型39-45
• 4.4 总结45-46
• 5 总结与展望46-47
• 参考文献47-51
• 致谢51-52
• 攻读硕士学位期间主要的科研成果52-53

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 韦雁机;叶银灿;吴珂;来向华;;桩周局部冲刷三维数值模拟[J];海洋工程;2009年04期

  本文关键词：基于OpenFOAM的河流入海口水动力关系研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：312960