沙质床面局部冲刷的大涡数值模拟研究

发布时间：2022-10-07 20:53

　　随着各类水利工程的大量建设,管线和桩柱等结构物被布置于河流、海洋、湖泊等水体之中。当结构物附近由于流场的强烈变化而发生局部冲刷时,会对结构的稳定性造成巨大影响,有危害结构物安全的可能。而结构物附近的流场具有明显的三维湍流结构,其计算对数值方法有较高的要求。相对于其他方法,大涡数值模拟兼具可以准确的模拟湍流结构和节约计算资源的优点。本文以大涡数值模拟为基础建立了三维水流泥沙和床面变形数学模型,并对沙质床面上管线局部冲刷和桩柱局部冲刷这两个经典局部冲刷问题进行了模拟,主要工作与成果如下:采用Smagrinsky亚格子湍流模型,以Exner床面方程为基础建立床面变形模型,以浸入边界法处理复杂边界与动边界问题,建立了只考虑推移质输沙的适用于结构化网格的三维水流泥沙数学模型。其中,在床面变形模型的滑坡模块中,提出了新的处理泥沙滑坡的手段,使滑坡处理后的床面更加接近真实形态。为验证模型的可信性,对波状刚性床面剪切力进行了验证,结果吻合良好。将模型应用于雷诺数为2900的管线局部冲刷数值模拟,最大冲刷深度模拟结果与试验结果相比较为合理。并确定了在三维水流泥沙数值模拟中MeyerPeter推移质输沙公... 

【文章页数】：76 页

【学位级别】：硕士

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摘要
abstract
第1章 引言
    1.1 研究意义
    1.2 水动力学模型研究现状
    1.3 泥沙数学模型研究现状
        1.3.1 一维、二维泥沙数学模型研究现状
        1.3.2 三维泥沙数学模型研究现状
    1.4 局部冲刷数值模拟研究现状
    1.5 本文研究思路及内容
第2章 湍流大涡数值模拟方法和浸入边界法
    2.1 湍流流场大涡数值模拟方法
        2.1.1 流体运动的控制方程
        2.1.2 压力泊松方程及投影法
        2.1.3 亚格子模型及数值离散方法
        2.1.4 壁面模型
    2.2 浸入边界法
        2.2.1 浸入边界法的特点
        2.2.2 浸入边界法的控制方程
        2.2.3 浸入边界法的主要方法
        2.2.4 嵌入式浸入边界法
    2.3 并行计算
第3章 泥沙运动和床面变形模型
    3.1 床面剪切力模型
        3.1.1 常用床面剪切力计算方法
        3.1.2 床面剪切力模型的数值实现
    3.2 推移质输沙模型
        3.2.1 常用推移质输沙方程
        3.2.2 床面坡度对输沙率的影响
        3.2.3 推移质输沙模型的实现
    3.3 床面变形模型
        3.3.1 床面方程
        3.3.2 滑坡处理
    3.4 模型验证
第4章 局部冲刷数值模拟
    4.1 管线局部冲刷数值模拟
        4.1.1 管线局部冲刷模型建立
        4.1.2 圆管绕流流场分析
        4.1.3 推移质输沙模型研究
        4.1.4 管线局部冲刷演变过程分析
        4.1.5 管线局部冲刷最大冲刷深度验证
    4.2 桩柱局部冲刷数值模拟
        4.2.1 桩柱局部冲刷经验公式
        4.2.2 桩柱局部冲刷数学模型建立
        4.2.3 定床圆柱绕流流场模拟
        4.2.4 桩柱局部冲刷模拟结果与分析
第5章 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
参考文献
发表论文和参加科研情况说明
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于嵌入式迭代的高精度浸入边界法[J]. 及春宁,刘爽,杨立红,肖忠.  天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2014(05)
[2]钝体尾流控制机理及方法研究进展[J]. 邵传平.  力学进展. 2008(03)
[3]水库坝前冲刷漏斗形态三维水沙数学模型研究[J]. 冯小香,张小峰,李建兵,韦直林.  水动力学研究与进展A辑. 2008(01)
[4]考虑环流横向输沙及河岸变形的平面二维扩展数学模型[J]. 钟德钰,张红武.  水利学报. 2004(07)
[5]三维紊流悬沙数学模型及应用[J]. 陆永军,窦国仁,韩龙喜,邵学军,杨向华.  中国科学E辑:技术科学. 2004(03)
[6]异重流潜入运动的剖面二维数值模拟[J]. 彭杨,李义天,槐文信.  泥沙研究. 2000(06)
[7]松花江三姓浅滩航道整治的二维数值模拟研究[J]. 陆永军.  泥沙研究. 1998(02)
[8]异重流潜入条件分析及立面二维数值模拟[J]. 方春明,韩其为,何明民.  泥沙研究. 1997(04)
[9]水库淤积与河床演变的(一维)数学模型[J]. 韩其为,何明民.  泥沙研究. 1987(03)
[10]浑水异重流的数值模拟[J]. 赵士清.  科学通报. 1986(22)

博士论文
[1]河口海岸三维水沙运动的间断有限元模型研究[D]. 赵张益.天津大学 2014
[2]三维水沙运动及河床变形数学模型研究[D]. 胡德超.清华大学 2009
[3]浸没边界法的高效半隐式格式[D]. 史作强.清华大学 2008



本文编号：3687383