考虑渗透效应的二维动床水沙运动数值模型研究

发布时间：2017-05-10 04:01

  本文关键词：考虑渗透效应的二维动床水沙运动数值模型研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：实际情况下,洪水在演进过程中会不可避免地发生渗透现象,渗透效应的存在对洪水运动和泥沙输移都有很大的影响。本文通过引入Green-Ampt渗透公式以考虑渗透效应对洪水运动过程中水流通量的影响,建立了二维动床水沙运动数值模型,通过对不同情况下带有渗透效应的洪水演进和泥沙运动进行模拟分析,主要研究成果和结论如下：(1)总结分析了Green-Ampt渗透模型的特点及适用条件,采用Green-Ampt渗透模型来模拟降雨及洪水运动过程中的渗透效应。Green-Ampt渗透公式在描述土壤入渗过程中最为关键的参数为饱和导水系数和湿润锋平均吸力。拟合函数关系式分别表达饱和导水系数与水头的关系。将函数关系式代入传统Green-Ampt渗透模型,建立适用于不同入渗水头的Green-Ampt模型以及适用于浑水入渗的Green-Ampt模型。(2)在二维浅水运动和泥沙输移方程的基础上引入Green-Ampt渗透模型以综合考虑渗透效应对水流通量和泥沙输移通量的影响,从而建立一个新的基于渗透效应的二维动力波洪水和泥沙运动数值模型。本模型采用中心迎风格式求解单元界面上的流量和动量通量,并结合对界面变量的线性重构,使其具有空间上的二阶精度。单元界面上的泥沙输移通量采用迎风格式进行求解。为保证模型的和谐性和稳定性,底床坡度项采用中心差分法离散,底床摩擦项和障碍物的阻力项用半隐式法离散。泥沙运动扩散项均采用中心差分格式处理。当库朗特数满足条件时,模型能保证计算水深在任何时刻是非负的,使得模型具有良好的稳定性。(3)不考虑泥沙运动的情况下,在模型中引入适用于不同入渗水头的改进Green-Ampt模型,以建立考虑渗透效应的二维洪水模型。通过坡面降雨算例对变水头渗透洪水模型进行验证分析,结果表明：采用变水头渗透公式计算结果总体上和采用传统入渗公式计算结果以及文献值[73]吻合较好。同时采用海岸带波浪爬坡算例,分析渗透效应对波浪爬坡过程的影响,发现渗透效应降低了波浪爬坡的最大高度,而且对爬升和退水过程的流速都有所减缓,同时也能很好的捕捉退水过程的水跃现象,表明本文模型的合理性。(4)在水沙耦合模型中引入Green-Ampt模型,建立渗透条件下洪水、泥沙运动耦合的数值模型。通过算例对考虑水沙耦合作用的洪水和泥沙运动数值模型进行验证,分析其水动力特征、泥沙运动以及河床变形特征,并利用水沙渗透模型分析探讨不同底床土质对洪水运动、泥沙输移及底床冲淤的影响。
【关键词】：渗透效应 改进Green-Ampt模型 泥沙运动 水沙耦合 底床变形 有限体积法 中心迎风格式 数值模拟
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV14;TV122
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 绪论11-19
• 1.1 研究背景及意义11-13
• 1.2 国内外洪水演进数值模拟的研究进展13-16
• 1.2.1 水动力数值模型的研究及存在问题13-14
• 1.2.2 洪水渗透效应的研究现状14-16
• 1.3 本文主要研究内容16-19
• 1.3.1 研究内容16-17
• 1.3.2 本文组织结构17-19
• 2 土壤渗透效应计算方法19-30
• 2.1 引言19
• 2.2 入渗模型简介19-22
• 2.2.1 Philip入渗模型19-20
• 2.2.2 Green-Ampt入渗模型20-21
• 2.2.3 Green-Ampt模型和Philip模型互推参数的特性分析21-22
• 2.3 Green-Ampt模型的修正及参数确定22-28
• 2.3.1 Green-Ampt入渗模型参数计算方法23-25
• 2.3.2 Green-Ampt入渗模型的修正25-28
• 2.4 本章小结28-30
• 3 基于渗透效应的二维动床水沙运动数值模型30-42
• 3.1 引言30
• 3.2 控制方程30-34
• 3.2.1 基于渗透效应的水沙耦合运动控制方程30-34
• 3.3 数值计算方法34-40
• 3.3.1 网格及控制体34-35
• 3.3.2 离散格式35-36
• 3.3.3 界面变量重构方法36-37
• 3.3.4 通量计算方法37-38
• 3.3.5 源项的处理方法38
• 3.3.6 下渗方程的数值求解38-39
• 3.3.7 泥沙输移方程的数值求解39
• 3.3.8 底床变形方程的数值求解39-40
• 3.3.9 稳定性条件40
• 3.4 本章小结40-42
• 4 基于渗透效应水沙运动数值模型的应用研究42-66
• 4.1 引言42
• 4.2 坡面降雨洪水运动计算分析42-47
• 4.2.1 算例描述42-43
• 4.2.2 计算结果分析43-47
• 4.3 孤立波的爬坡水流运动计算分析47-54
• 4.3.1 算例描述47-48
• 4.3.2 计算结果分析48-54
• 4.4 渗透效应影响下的溃坝洪水和泥沙运动计算分析54-59
• 4.4.1 算例描述54-55
• 4.4.2 计算结果分析55-59
• 4.5 不同底床土质对溃坝洪水和泥沙运动计算分析59-64
• 4.5.1 算例描述59-61
• 4.5.2 计算结果分析61-64
• 4.6 本章小结64-66
• 5 结论与展望66-69
• 5.1 结论66-68
• 5.2 展望68-69
• 参考文献69-76
• 作者简历76

【参考文献】

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1 吴钢锋;二维定床和动床洪水数值模型的研究和应用[D];浙江大学;2014年

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本文编号：353924