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基于固液两相紊流理论的近岸悬移质泥沙运动数值研究

作　者: 李勇
导　师: 余锡平
学　校: 清华大学
专　业: 水利工程
关键词: 固液两相流悬移质泥沙单向流边界层往复流波浪
分类号: TV148
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 444次
引　用: 2次
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内容摘要

建立在高水平数值模型基础上的悬移质泥沙运动研究不仅具有重要的理论意义,也具有重要的应用背景。随着近十几年随着两相流理论与数值方法的发展,加上计算机硬件能力的大幅度提升,应用两相流模型研究低浓度含沙水流问题已逐渐成为可能。本论文从稀疏两相流的双流体模型基本方程出发,借鉴气固两相紊流理论,建立了低含沙量问题的通用数学模型,同时构建了有效的数值计算方法,编写了相应的计算机程序。并在多种条件下对数值模型进行了验证。论文应用建立的数学模型对单向流条件下的悬移质泥沙运动进行数值计算,并用已知的实验成果对数值模型进行了验证。研究了恒定流中泥沙浓度及扩散系数沿垂向的分布规律,并就泥沙沉降规律以及含沙水流紊动结构等问题进行了讨论,还探讨了两种常用的颗粒相紊流模型的优缺点及其适用范围。论文应用建立的数学模型也对边界层往复流条件下的悬移质泥沙运动进行数值计算。通过与实验结果的对比,分析了边界层水流运动结构的特征以及泥沙浓度分布的规律,探讨了往复流作用下各类相间作用力的时空变化规律及其对悬移质泥沙运动的影响。论文还应用建立的数学模型对波浪作用下的悬移质泥沙运动进行了数值计算。研究了波浪作用下悬移质泥沙浓度的垂线分布规律,探讨了波浪作用下各类相间作用力的时空变化规律及其对悬移质泥沙运动的影响,采用基于颗粒轨道模型模拟了单颗粒泥沙对于紊动作用以外的相间作用力的反应。还就波浪作用下的输沙率进行了初步的探讨。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-12
第1章绪论  12-27
  1.1 研究背景和意义  12-14
  1.2 泥沙运动的形式和悬移质泥沙运动的研究方法  14-18
    1.2.1 泥沙悬浮现象及其机理  14-16
    1.2.2 悬移质泥沙运动研究中的主要科学问题  16-17
    1.2.3 悬移质泥沙运动研究的理论  17-18
  1.3 两相流模型研究的国内外进展  18-21
    1.3.1 两相流模型概述  18-19
    1.3.2 连续介质模型  19-20
    1.3.3 稀疏两相紊流模型  20-21
  1.4 悬移质泥沙运动研究的国内外进展  21-25
    1.4.1 单向流中的悬移质泥沙运动  21-23
    1.4.2 往复流边界层内的悬移质泥沙运动  23-24
    1.4.3 波浪作用下的悬移质泥沙运动  24-25
  1.5 本文的研究内容  25-27
第2章固液两相紊流数学模型  27-69
  2.1 引论  27
  2.2 固液两相紊流模型的建立  27-44
    2.2.1 固液两相流模型  27-29
    2.2.2 固液两相紊流模型基本方程  29-35
    2.2.3 紊流模型  35-37
    2.2.4 相间作用力  37-44
  2.3 控制方程的离散及其求解  44-65
    2.3.1 基于SIMPLE 格式的控制方程离散  44-54
    2.3.2 基于SMAC 方法的控制方程离散  54-60
    2.3.3 离散代数方程组的求解  60-63
    2.3.4 迭代求解步骤  63-65
  2.4 基于颗粒轨道模型的质点追踪  65-68
    2.4.1 控制方程  65-67
    2.4.2 求解方法  67-68
  2.5 本章小结  68-69
第3章单向流条件下的悬移质泥沙运动  69-98
  3.1 引论  69
  3.2 基本方程及边界条件  69-78
    3.2.1 物理模型  69-70
    3.2.2 基本方程  70-71
    3.2.3 水流边界条件  71-74
    3.2.4 泥沙边界条件  74-78
  3.3 数学模型的验证计算  78-86
    3.3.1 水流计算的验证  79-83
    3.3.2 泥沙计算的验证  83-86
  3.4 紊流特性对泥沙浓度分布的影响  86-95
  3.5 泥沙颗粒的沉降运动  95-97
  3.6 本章小结  97-98
第4章往复流条件下的悬移质泥沙运动  98-129
  4.1 引论  98
  4.2 基本方程及边界条件  98-106
    4.2.1 物理模型  98-99
    4.2.2 基本方程  99-100
    4.2.3 水流边界条件  100-102
    4.2.4 泥沙边界条件  102-106
  4.3 对称往复流边界层内的悬移质泥沙运动  106-122
    4.3.1 边界层对称往复流  106-116
    4.3.2 对称往复流作用下的悬移质泥沙运动  116-122
  4.4 非对称往复流边界层内的悬移质泥沙运动  122-128
    4.4.1 非对称往复边界层流动  122-126
    4.4.2 非对称振荡流作用下的悬移质泥沙运动  126-128
  4.5 本章小结  128-129
第5章波浪作用下的悬移质泥沙运动  129-155
  5.1 引论  129
  5.2 基本方程及边界条件  129-137
    5.2.1 物理模型  129-130
    5.2.2 基本方程  130-131
    5.2.3 水相边界条件  131-136
    5.2.4 泥沙相边界条件  136-137
  5.3 水相VOF 方法及固相自由面追踪处理  137-141
    5.3.1 水相体积函数方程的离散  138-140
    5.3.2 固相自由面处理  140-141
  5.4 波浪计算验证  141-144
  5.5 波浪作用下的悬移质泥沙分布规律  144-149
  5.6 波浪作用下的悬移质泥沙颗粒的受力特征  149-153
  5.7 波浪作用下的悬移质输沙率  153-154
  5.8 本章小结  154-155
第6章结论  155-157
参考文献  157-166
致谢  166-167
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  167

基于固液两相紊流理论的近岸悬移质泥沙运动数值研究

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