三维紊流泥沙数学模型及其应用

发布时间：2017-05-20 13:04

  本文关键词：三维紊流泥沙数学模型及其应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 目前，紊流模型已被广泛应用于各种工程问题的水流计算，其中，K—ε双方程模型，以其有效性和精度，使用最为普遍。然而，由于它假定紊动粘滞性是各向同性的，在一些复杂的紊流运动计算中其应用受到限制。近年来，窦国仁发表了“紊流随机理论”，提出了新的各向异性紊动的Reynolds应力表达式，并改进了壁面律公式。这一理论具有广阔的应用前景。 本文在作者以往建立的二维紊流泥沙数学模型(2DTSM)基础上，根据窦国仁的紊流随机理论，，建立了三维紊流泥沙数学模型。主要内容如下： (1)开发了基于K—ε紊流模型的三维水流数值计算程序，并用于明渠丁坝绕流的流场计算。 (2)根据窦国仁的紊流随机理论，导出了各向异性紊流的Reynolds应力的数值格式，从而开发了基于紊流随机模型的三维水流计算程序，运用该程序计算了航槽内的三维流场，得到的结果与水槽试验资料吻合良好。 (3)在三维紊流模型的基础上，给出了描述三维悬沙运动及床沙级配的控制方程，建立了三维紊流泥沙数学模型(3DTSM)。用水槽冲淤试验含沙量沿垂线分布资料及葛洲坝水利枢纽建库前后水沙资料对该模型进行了检验，结果基本一致。 (4)将所建的三维紊流泥沙数学模型应用于三峡工程坝区泥沙冲淤问题的研究，预测了三峡工程建成后坝区上游河段泥沙冲淤发展过程及其分布、河床淤积物级配组成及不同时期、不同高程的流场、含沙场等，计算结果与清华大学、长江科学院、南京水利科学研究院物理模型试验值比较接近。
【关键词】：紊流 随机理论 非均匀泥沙 河床冲淤 三峡工程 数学模型
【学位授予单位】：南京水利科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2002
【分类号】：TV149
【目录】：

• 中文摘要2-3
• 英文摘要3-9
• 0 序言9-11
• 0．1 问题的提出及意义9
• 0．2 本文的主要内容9-11
• 1 紊流泥沙数学模型研究进展11-30
• 1．1 紊流数值模拟研究进展11-18
• 1．1．1 紊流的数值模拟方法11-12
• 1．1．2 紊流的基本方程12
• 1．1．3 紊流模型12-16
• 1．1．3．1 零方程模型13-14
• 1．1．3．2 一方程模型14
• 1．1．3．3 K—ε双方程模型14-16
• 1．1．4 紊流数值模拟中的网格划分16-17
• 1．1．5 三维紊流数值模型拟的进展17-18
• 1．2 泥沙数学模型研究进展18-30
• 1．2．1 一维泥沙数学模型19-21
• 1．2．1．1 概述19
• 1．2．1．2 阻力19-20
• 1．2．1．3 水流挟沙能力20
• 1．2．1．4 非均匀推移质输移20
• 1．2．1．5 计算方法20-21
• 1．2．2 二维泥沙数学模型21-25
• 1．2．2．1 基本方程（控制方程）21-22
• 1．2．2．2 紊流闭合22-23
• 1．2．2．3 阻力23
• 1．2．2．4 水流挟沙能力23-24
• 1．2．2．5 非均匀推移质输移及床沙交换计算24
• 1．2．2．6 计算方法24-25
• 1．2．3 三维泥沙数学模型25-30
• 1．2．3．1 自由表面26
• 1．2．3．2 床面上泥沙条件26-29
• 1．2．3．3 数值计算方法29-30
• 2 紊流随机理论及其应用30-43
• 2．1 概述30
• 2．2 紊流随机理论30-34
• 2．3 紊流随机理论在明渠流中的应用34-38
• 2．3．1 断面流速分布34-35
• 2．3．2 各流区统一的流速分布规律35-37
• 2．3．3 明渠的脉动结构37-38
• 2．4 紊流随机理论在边界层中的应用38-39
• 2．5 紊流随机理论在减阻流中的应用39-43
• 3 基于紊流随机理论的三维泥沙数学模型43-67
• 3．1 概述43
• 3．2 控制方程43-46
• 3．2．1 连续方程43
• 3．2．2 动量方程（Reynolds方程）43-45
• 3．2．3 悬移质不平衡输沙方程45
• 3．2．4 河床变形方程45
• 3．2．5 床沙级配方程45-46
• 3．3 紊流随机理论模型的参数及特点46-49
• 3．3．1 紊动参数C_t、C_l的确定46-48
• 3．3．2 紊流随机理论模型的特点48-49
• 3．4 边界条件49-58
• 3．4．1 壁面边界49-56
• 3．4．1．1 对数律壁函数（Law of the Wall）50-51
• 3．4．1．2 解析式壁函数51-52
• 3．4．1．3 精细壁函数52-55
• 3．4．1．4 床面附近的含沙量55
• 3．4．1．5 床面附近挟沙能力55-56
• 3．4．2 入流边界56
• 3．4．3 出流边界56-57
• 3．4．4 自由表面57-58
• 3．5 数值计算方法58-67
• 3．5．1 基本思路58
• 3．5．2 正交曲线坐标下的控制方程58-59
• 3．5．3 控制方程的离散59-61
• 3．5．4 压力与速度的修正61-64
• 3．5．5 SIMPLE方法64-67
• 3．5．5．1 SIMPLE算法的基本步骤64-65
• 3．5．5．2 对SIMPLE算法的改进65-67
• 4 计算算例、验证与讨论67-92
• 4．1 明渠丁坝绕流的计算67-78
• 4．1．1 丁坝绕流机理及流场模拟67-69
• 4．1．2 丁坝后的回流区流动69-71
• 4．1．3 丁坝前后的立面回流流动71-74
• 4．1．4 丁坝前后的横向回流流动74-76
• 4．1．5 丁坝前后不同高度上的紊动动能76-78
• 4．1．6 讨论78
• 4．2 航槽三维流动计算78-84
• 4．2．1 水池试验资料的验证78-79
• 4．2．2 与经验公式的比较79-80
• 4．2．3 水槽试验资料的验证80-81
• 4．2．4 航槽与水流垂直时的流场81-84
• 4．2．5 航槽与水流不垂直时的平面流场84
• 4．3 含沙量沿垂线分布的验证84-89
• 4．3．1 松散床面泥沙掀起的纯悬浮过程84-86
• 4．3．2 纯淤积过程86-89
• 4．4 葛洲坝水利枢纽建库前后的三峡工程坝区河段水沙验证89-92
• 4．4．1 模拟河段河道特性89
• 4．4．2 计算区域网格生成89
• 4．4．3 葛洲坝水库蓄水前后水面线的验证89-90
• 4．4．3．1 葛洲坝水库蓄水前水面线验证89
• 4．4．3．2 葛洲坝水库蓄水后水面线验证89-90
• 4．4．4 葛洲坝水库引起的三峡坝区河段淤积的初步验证90-92
• 5 三维模型在三峡坝区泥沙冲淤模拟中的应用92-128
• 5．1 三峡工程枢纽布置92-93
• 5．2 计算条件93-94
• 5．2．1 水沙概况93
• 5．2．2 水库运行第1年至第70+6年水文系列及运行控制条件93-94
• 5．3 坝区上游段泥沙淤积量及其沿程分布94-95
• 5．4 淤积后的断面形态及过水断面面积变化95
• 5．5 水库运用不同时期、不同高程处的流场95-96
• 5．6 水库运用不同时期、不同高程处的含沙量场96
• 5．7 水库运用不同时期床面泥沙淤积物组成96-128
• 6 结论与展望128-130
• 参考文献130-141
• 作者在博士后期间发表的论文141-142
• 作者在博士后之前发表的论文142-144
• 致谢144

【引证文献】

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1 崔占峰;张小峰;;三维紊流模型在丁坝水流中的应用研究[J];长江科学院院报;2008年02期

2 陈小莉;马吉明;;桥台局部冲刷坑内水流运动的三维数值模拟[J];水动力学研究与进展A辑;2007年06期

3 崔占峰;张小峰;冯小香;;丁坝冲刷的三维紊流模拟研究[J];水动力学研究与进展A辑;2008年01期

4 假冬冬;邵学军;周刚;王博;;弯道三维水沙数值模拟中推移质输移方向的选取[J];水动力学研究与进展A辑;2008年05期

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3 张蔚;河网与河口地区耦合模型的研究及应用[D];河海大学;2006年

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10 朱晓;杭州湾局域海床冲淤研究[D];浙江大学;2008年

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本文编号：381679