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河口粘性泥沙输运数值模拟

周杰  
【摘要】:泥沙输运的不平衡是河道、河口河床演变的物质基础,而影响泥沙输运的动力因素较为复杂,尤其是自然界存在的挟沙水流往往是紊流。修建水库、航道建设、治河工程等迫切需要掌握泥沙输运的规律,了解工程前后的泥沙运移过程的变化,预测未来河床、河势的发展,以便对工程的环境和生态影响、经济效益周期等进行可靠的评价。建立在泥沙运动力学、河床演变学、流体力学等多学科基础上泥沙输运数值模拟便孕育而生,成为人们了解乃至掌握部分水域的泥沙运动机理的重要工具。 本文就河口粘性泥沙数值模拟的理论与方法展开了研究。首先根据河口地区河床常为淤泥质河床的特点,提出了分层河床固结概念模型,更真实地反映了河床演变的动力过程。并根据长江口絮凝体的特征,建立了针对长江口的基于有效抑制流速的絮凝度经验表达式,该表达式反映了流速大于破碎流速时,流体的紊动对形成絮凝体的抑制作用。依据絮凝体沉速的测定率定了絮凝体的分形维数,由此计算长江口粘性沙的沉速与Rouse拟合法获得的沉速范围一致。其次利用高效的数值计算方法提高了有限元方法的计算效率,为河床演变的长期模拟提供了有力的数值方法。最后提出了垂向涡粘性系数垂线平均值的经验表达式,由于该方法避免了紊流模型,因此具有稳定、高效、简单易用的特点。 在本文建立的模型理论的基础上,尝试了建立了平面二维、基于σ坐标的三维水沙数学模型,并应用于长江河口的粘性沙输运过程的数值模拟,得到了较好的验证。


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