三角形河床影响下的潜流交换数值模拟研究

发布时间：2025-01-15 16:53

　　河流地表水-地下水的相互作用是地球水文循环的重要过程。而潜流交换作用是地表水-地下水相互作用中的一个重要环节,它控制着地表水-地下水之间物质和能量的传输以及生物化学反应,进而影响到整个流域的生态健康。本文基于雷诺平均N-S方程(RANS)、k-ω湍流模型和Darcy方程,采用COMSOL结合CFD-Fluent的数值模拟方法,构建三角形河床形态影响下的地表水-地下水耦合模型。主要分析了地表水湍流流动特性、水沙交界面流动特性和潜流交换区流动特性,探究三角形河床形态影响下的地表水-地下水潜流交换规律。主要研究成果如下:基于已有的水槽试验实测的地表水流速分布结果,对第六段沙丘流速分布结果进行模型验证,结果表明所构建的地表水-地下水耦合模型可以良好地刻画水沙交界面附近的流场。三角形河床对水沙交界面的压强和流速分布影响较大,其迎水坡角度与水沙交界面压强呈负相关,与波峰处流速呈正相关。地表水入口流速与水沙交界面压强极值及其流速均呈正相关。湍流强度和壁面切应力的最大值稳定出现在三角形河床波峰处,说明波峰较容易受到地表水湍流的影响而发生形变。针对不同的三角形河床形态,提出了一种水沙交界面的上升流和下降流...

【文章页数】：56 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图1-1河流潜流带示意图

河岸调蓄和地下水排放与补给为单项流动，潜流交换作用是潜流带内的地表水-地下水双向流动。如图1-1所示，潜流带（Hyporheiczone）是河流河床内水分饱和的沉积物层[12-14]，连接着河流水体、沉积物和地下水[3]。潜流带中存在地表水与地下水之间物质和能量的交换与过渡[1....

图1-2三角形河床形态下的潜流交换示意图

与饱和沙床之间发生交换，称为泵吸交换[21,23]（见图1-2a）；河床移动变化时也会导致，河床孔隙水随着河床移动过程中的释放和地表水进入饱和沙床，这一过程称为冲於交换（见图1-2b）[21]；另外，在河床移动过程中，同时包含冲於交换和泵吸交换，两种交换的混合称为混合潜流交换（....

图2-1水流连续性方程微元示意图

56]。二维湍流流体连续性方程的微元体示意图见图2-1。根据质量守恒原理得到湍流流体在单位时间内流入与流出微元体差值等于该段时间内微元体中流体的增加量。建立方程如下[57]：图2-1水流连续性方程微元示意图Fig.2-1Schematicdiagramofwater....

图3-2河流和海洋中常见的河床形态

3.1.1概化模型试验设置波状河床形态是自然界中最为常见的河床表面形态之一，如河床沙波，波长从厘米级到米级，海洋中甚至可达到数公里[23]。如图3-2，河床沙波、海洋沙波和河道中的深潭-浅滩结构，起伏河床表面形态的几何特征主要体现在波峰及波谷分布，可以概化为三角形河床几何形态。....

本文编号：4027584