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丁坝水流数值模拟关键技术研究

作　者: 许慧
导　师: 窦希萍；李国斌
学　校: 南京水利科学研究院
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 数学模型丁坝界面水深法自由水面处理 SIMPLE算法航道整治
分类号: U617.9
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文针对航道整治工程中常见整治建筑物——丁坝的二、三维水流数值模拟关键技术进行了研究,主要的研究内容如下:二维水流数值模拟时,针对淹没丁坝前后缘水深突变的特性,提出了“网格界面水深法”,计算了淹没五丁坝水流运动的流速场和水位场,计算值与实测值基本吻合,说明这科处理方法是可行的。对天然河道航道整治工程进行二维水流数值模拟时,“网格界面水深法”可以灵活调整网格以适应工程方案布置,通过对安庆河段航道整治工程方案计算,说明此方法对实际工程问题行之有效。三维水流数值模拟时,采用紊流κ-ε双方程模型闭合雷诺方程组,二维数值计算结果确定自由水面高度,针对自由水面的波动,提出“固定层加变动层”的处理方法,最后采用SIMPLER计算程式进行求解,模拟了非淹没单丁坝、淹没单丁坝、淹没丁坝群水流流场,计算值和实测值对比分析表明模型正确适用。天然河道航道整治工程三维水流数值模拟时,采用正交曲线坐标变换将三维计算区域的平面区域变换为矩形区域,水深方向绝对分层,用“冻结法”处理不规则边界,用守恒较好的有限体积法离散方程,最后采用SIMPLER算法求解,计算了安庆河段水流三维流场。验证成果表明:对该河段三维流场的模拟值与实测值基本一致。在此基础上,计算分析了航道整治工程对河道流场的影响。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-11
第一章绪论  11-17
  1.1 问题提出  11
  1.2 前人研究回顾  11-16
  1.3 本文研究方法和内容  16-17
第二章曲线网格技术  17-21
  2.1 曲线网格控制方程  17-18
  2.2 控制函数P、Q的选取  18-19
    2.2.1 Thompson的指数型  18
    2.2.2 流、势函数理论生成法  18-19
  2.3 方程离散求解  19
  2.4 边界正交处理  19-20
  本章小结  20-21
第三章二维水流数学模型建立及在航道整治工程中的应用  21-53
  3.1 直角坐标系下的二维水动力基本方程  21-23
    3.1.1 二维水流运动基本方程  21-22
    3.1.2 二维紊流方程  22-23
  3.2 广义曲线坐标下的二维水动力基本方程  23-25
    3.2.1 控制方程的变换  23-25
  3.3 正交曲线坐标下二维水动力基本方程  25-26
  3.4 基本方程的离散及求解  26-30
    3.4.1 通用方程的离散  26-28
    3.4.2 动量方程的离散化  28-30
  3.5 定解条件  30-31
    3.5.1 初始条件  30
    3.5.2 边界条件  30-31
    3.5.3 动边界技术  31
  3.6 淹没丁坝在二维数模计算中的处理  31-33
    3.6.1 用堰流公式处理  31
    3.6.2 用地形突变反映淹没丁坝  31-32
    3.6.3 平面二维流带模型  32
    3.6.4 丁坝水深突变处理方法  32
    3.6.5 界面水深法  32-33
  3.7 淹没五丁坝试验计算  33-35
  3.8 工程应用  35-49
    3.8.1 工程河道自然条件  35-37
    3.8.2 沿程水位及断面流速验证  37-41
    3.8.3 航道整治方案水流计算  41-49
  3.9 SIMPLE类算法迭代速度比较  49-53
第四章三维水流数学模型建立及丁坝水流模拟  53-91
  4.1 直角坐标系下三维水流运动方程  53-55
    4.1.1 水流运动基本方程  53-54
    4.1.2 紊流模型  54-55
  4.2 方程离散  55-58
  4.3 SIMPLER算法  58-60
  4.4 边界处理  60-65
    4.4.1 进口边界  60
    4.4.2 出口边界  60-61
    4.4.3 固壁边界条件  61-62
    4.4.4 丁坝边界  62
    4.4.5 自由表面条件  62-65
  4.5 丁坝水流数值计算分析  65-91
    4.5.1 算例一—用“刚盖假定”计算非淹没丁坝水流(Holtz 丁坝试验)  65-68
    4.5.2 算例二—用“刚盖假定”计算非淹没丁坝水流(Muneta、Shimizu 丁坝试验)  68-71
    4.5.3 算例三—用“刚盖假定”计算淹没丁坝水流(Tominaga 丁坝试验)  71-75
    4.5.4 算例四—淹没五丁坝水流(分别用“固定层加变动层”以及“刚盖假定”)  75-91
第五章天然河道航道整治工程三维水流计算  91-110
  5.1 控制方程  92-93
  5.2 边界条件  93-94
  5.3 自由水面确定  94
  5.4 方程离散和求解  94
  5.5 工程实例计算  94-110
    5.5.1 河段概况  94-95
    5.5.2 计算基本资料  95
    5.5.3 水位、流速验证  95-103
    5.5.4 航道整治数模研究  103-110
第六章结论与展望  110-113
  6.1 主要结论  110-111
  6.2 有待进一步研究探讨的问题  111-113
参考文献  113-118
作者攻博期间发表论文与参与的科研项目  118-119
致谢  119

丁坝水流数值模拟关键技术研究

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