考虑温升及水压作用的冬季输水渠道冰盖的热力耦合分析
发布时间：2021-09-30 08:39
为缓解我国水资源时空分布不平衡的问题,建设长距离输水工程成为我国水资源优化配置重要举措。长距离输水工程大部分均跨越了北方高寒区域,水流自低纬度地区往高纬度地区输送,但由于冬季输水易发生各类冰凌灾害,因此冰期输水难度较大。针对冬季输水渠道,一方面,水位波动干扰浮冰形成稳定冰盖,或引起初封冰盖破碎,使流冰在下游渠段堆积形成冰塞,威胁冬季输水安全。形成稳封冰盖后的渠道,输水边界条件改变对渠水流态造成影响规律复杂,给输水调度工作带来困难。另一方面,在冰盖保温作用下,基土冻深在冰盖位置附近,由此产生不均匀冻胀更加严重。此外由于冰盖热力增厚和温升约束的膨胀作用,其对衬砌的静冰压力不断发展,导致渠道衬砌结构受力情况复杂且可能使衬砌发生破坏。通过对冰盖整个生消时期外荷载与膨胀内力变化分析,以及其对渠水、衬砌的作用力变化分析,对于保证冬季输水渠道冰盖稳定防止冰塞灾害产生以及进行衬砌结构抗冰冻加固设计具有重要的意义。本文结合冰力学、流变学、热力学及流体动力学等理论,利用COMSOL Multiphysics有限元软件引入了横观各向同性的粘弹性河冰本构模型并开发了固定冰盖下考虑水力因素、糙率动态变化的非恒定...
【文章来源】：西北农林科技大学陕西省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 研究现状与进展
1.2.1 河冰研究进展
1.2.2 南水北调中线工程冬季输水研究进展
1.2.3 河冰力学指标及河冰流变本构
1.2.4 温升冰压力及水-冰相互作用
1.3 研究内容和技术路线
1.3.1 研究内容
1.3.2 技术路线
第二章 河冰过程及多物理场仿真理论
2.1 河冰过程与河冰分类
2.1.1 河冰一般形成过程概述
2.1.2 河冰分类
2.1.3 冰盖发展模型判别
2.2 河冰物理过程及河冰模型
2.3 多物理场仿真理论
2.3.1 偏微分方程与有限元法
2.3.2 多场耦合与COMSOL Multiphyisics
第三章 不同渠道断面形式及温升变化下冰盖的力学响应
3.1 淡水冰力学性能及本构关系
3.1.1 河冰类型及力学参数
3.1.2 河冰流变力学模型
3.2 温升作用下的渠道冰盖热力耦合模拟
3.2.1 河冰与渠道的相互作用
3.2.2 温升作用下的冰盖热力耦合控制方程及数值模拟
3.3 不同渠道断面参数下的温升极限冰压力模拟
3.3.1 不同冰厚下最大温升冰压力的变化
3.3.2 不同渠道边坡系数下最大温升冰压力的变化
3.3.3 不同渠道底宽的温升最大冰压力的变化
3.3.4 不同渠坡约束条件的讨论
3.4 小结
第四章 冬季渠道输水过程模拟及不同流量调节下的水力响应
4.1 冬季输水基本概念及考虑冰盖生消过程的非恒定流模型
4.1.1 冬季输水基本概念
4.1.2 考虑冰盖生消过程的非恒定流模型
4.2 考虑综合糙率、水力因素动态变化的结冰期渠道水力响应
4.2.1 计算渠道基本情况及边界条件
4.2.2 计算结果及分析
4.2.3 不同模型参数的水力响应分析
4.2.4 不同冰厚、不同上下游水位流量下的水力响应分析
4.3 稳封期加大输水流量下的冰盖下作用压强
4.4 小结
第五章 考虑水压-温升组合作用的冰盖受力及衬砌破坏机理
5.1 水压-温升组合作用对冰盖及渠道衬砌的受力影响
5.2 冰盖下允许作用压强探究
5.2.1 冰盖下水压力作用下的强度控制标准探讨
5.2.2 不同冰厚、渠底宽度及坡度的允许水位涨幅
5.3 水压-温升组合作用的渠道冰盖受力及衬砌破坏机理
5.3.1 在水压及温升组合作用下的冰盖对衬砌作用力差异
5.3.2 考虑温升、水位波动因素下渠道衬砌破坏机理
5.4 小结
第六章 结论与展望
6.1 结论
6.2 创新点
6.3 存在不足与展望
参考文献
致谢
个人简历
发表的学术论文
参与的科研项目
【参考文献】：
期刊论文
[1]冰封河道综合糙率计算方法比较与分析[J]. 陈刚,张玉蓉,浦承松,张天力,顾世祥. 水科学进展. 2018(05)
[2]河冰三轴压缩强度特性及破坏准则试验研究[J]. 韩红卫,解飞,汪恩良,张栋. 水利学报. 2018(10)
[3]水库冰表层形变的现场观测与分析[J]. 黄文峰,李志军,贾青,王妮. 水利学报. 2016(12)
[4]南水北调中线河北干渠平封水力控制模拟[J]. 闫弈博,刘国强,刘孟凯,王长德. 武汉大学学报(工学版). 2013(02)
[5]南水北调中线工程渠道糙率的系统辨识[J]. 杨开林,汪易森. 中国工程科学. 2012(11)
[6]南水北调中线工程渡槽结构冰盖温度膨胀力研究[J]. 周庭正,赵新,黄焱. 南水北调与水利科技. 2012(03)
[7]南水北调中线总干渠冬季输水过渡期运行控制方式探讨[J]. 崔巍,陈文学,穆祥鹏,王琦. 水利学报. 2012(05)
[8]静动水冰厚生长消融全过程的辐射冰冻度-日法预测研究[J]. 练继建,赵新. 水利学报. 2011(11)
[9]南水北调中线工程冬季输水冰情的数值模拟[J]. 郭新蕾,杨开林,付辉,王涛. 水利学报. 2011(11)
[10]南水北调中线冰期输水安全调度分析[J]. 杨开林,王涛,郭新蕾,付辉,郭永鑫. 南水北调与水利科技. 2011(02)
博士论文
[1]大型输水工程冰期输水能力与冰害防治控制研究[D]. 赵新.天津大学 2011
硕士论文
[1]南水北调中线冰情综合分析平台研究[D]. 李芬.大连理工大学 2016
[2]南水北调中线干渠冰期输水控制研究[D]. 赵新.天津大学 2009
[3]冰层热应力非线性有限元分析[D]. 刘波.天津大学 2004
本文编号：3415507
【文章来源】：西北农林科技大学陕西省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 研究现状与进展
1.2.1 河冰研究进展
1.2.2 南水北调中线工程冬季输水研究进展
1.2.3 河冰力学指标及河冰流变本构
1.2.4 温升冰压力及水-冰相互作用
1.3 研究内容和技术路线
1.3.1 研究内容
1.3.2 技术路线
第二章 河冰过程及多物理场仿真理论
2.1 河冰过程与河冰分类
2.1.1 河冰一般形成过程概述
2.1.2 河冰分类
2.1.3 冰盖发展模型判别
2.2 河冰物理过程及河冰模型
2.3 多物理场仿真理论
2.3.1 偏微分方程与有限元法
2.3.2 多场耦合与COMSOL Multiphyisics
第三章 不同渠道断面形式及温升变化下冰盖的力学响应
3.1 淡水冰力学性能及本构关系
3.1.1 河冰类型及力学参数
3.1.2 河冰流变力学模型
3.2 温升作用下的渠道冰盖热力耦合模拟
3.2.1 河冰与渠道的相互作用
3.2.2 温升作用下的冰盖热力耦合控制方程及数值模拟
3.3 不同渠道断面参数下的温升极限冰压力模拟
3.3.1 不同冰厚下最大温升冰压力的变化
3.3.2 不同渠道边坡系数下最大温升冰压力的变化
3.3.3 不同渠道底宽的温升最大冰压力的变化
3.3.4 不同渠坡约束条件的讨论
3.4 小结
第四章 冬季渠道输水过程模拟及不同流量调节下的水力响应
4.1 冬季输水基本概念及考虑冰盖生消过程的非恒定流模型
4.1.1 冬季输水基本概念
4.1.2 考虑冰盖生消过程的非恒定流模型
4.2 考虑综合糙率、水力因素动态变化的结冰期渠道水力响应
4.2.1 计算渠道基本情况及边界条件
4.2.2 计算结果及分析
4.2.3 不同模型参数的水力响应分析
4.2.4 不同冰厚、不同上下游水位流量下的水力响应分析
4.3 稳封期加大输水流量下的冰盖下作用压强
4.4 小结
第五章 考虑水压-温升组合作用的冰盖受力及衬砌破坏机理
5.1 水压-温升组合作用对冰盖及渠道衬砌的受力影响
5.2 冰盖下允许作用压强探究
5.2.1 冰盖下水压力作用下的强度控制标准探讨
5.2.2 不同冰厚、渠底宽度及坡度的允许水位涨幅
5.3 水压-温升组合作用的渠道冰盖受力及衬砌破坏机理
5.3.1 在水压及温升组合作用下的冰盖对衬砌作用力差异
5.3.2 考虑温升、水位波动因素下渠道衬砌破坏机理
5.4 小结
第六章 结论与展望
6.1 结论
6.2 创新点
6.3 存在不足与展望
参考文献
致谢
个人简历
发表的学术论文
参与的科研项目
【参考文献】：
期刊论文
[1]冰封河道综合糙率计算方法比较与分析[J]. 陈刚,张玉蓉,浦承松,张天力,顾世祥. 水科学进展. 2018(05)
[2]河冰三轴压缩强度特性及破坏准则试验研究[J]. 韩红卫,解飞,汪恩良,张栋. 水利学报. 2018(10)
[3]水库冰表层形变的现场观测与分析[J]. 黄文峰,李志军,贾青,王妮. 水利学报. 2016(12)
[4]南水北调中线河北干渠平封水力控制模拟[J]. 闫弈博,刘国强,刘孟凯,王长德. 武汉大学学报(工学版). 2013(02)
[5]南水北调中线工程渠道糙率的系统辨识[J]. 杨开林,汪易森. 中国工程科学. 2012(11)
[6]南水北调中线工程渡槽结构冰盖温度膨胀力研究[J]. 周庭正,赵新,黄焱. 南水北调与水利科技. 2012(03)
[7]南水北调中线总干渠冬季输水过渡期运行控制方式探讨[J]. 崔巍,陈文学,穆祥鹏,王琦. 水利学报. 2012(05)
[8]静动水冰厚生长消融全过程的辐射冰冻度-日法预测研究[J]. 练继建,赵新. 水利学报. 2011(11)
[9]南水北调中线工程冬季输水冰情的数值模拟[J]. 郭新蕾,杨开林,付辉,王涛. 水利学报. 2011(11)
[10]南水北调中线冰期输水安全调度分析[J]. 杨开林,王涛,郭新蕾,付辉,郭永鑫. 南水北调与水利科技. 2011(02)
博士论文
[1]大型输水工程冰期输水能力与冰害防治控制研究[D]. 赵新.天津大学 2011
硕士论文
[1]南水北调中线冰情综合分析平台研究[D]. 李芬.大连理工大学 2016
[2]南水北调中线干渠冰期输水控制研究[D]. 赵新.天津大学 2009
[3]冰层热应力非线性有限元分析[D]. 刘波.天津大学 2004
本文编号：3415507
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