冰塞形成机理与冰盖下速度场和冰粒两相流模拟分析
【摘要】：
河冰研究的途径大致分为原型观测、试验研究和数值模拟。在对国内外研究现状分析的基础上，对直道和弯槽段部分的试验成果进行了分析，就直、弯道的水流速度场进行了模拟，并基于两相流理论，对立面两维的冰花运动轨迹进行了模拟，同时对弯槽段的冰花上浮率分布进行了三维数值计算。
在分析国内外冰盖前缘冰块稳定性分析的研究基础上，对依据试验资料提出的冰块下潜计算式与国内外相关公式计算结果进行了对比。就冰盖下无粘性沙起动进行了分析，研究表明，当冰盖糙率增大时，有利于床沙的起动。
通过对弯槽段冰塞堆积和形成的试验研究，发现和分析了试验中的一些规律。在试验段先铺有模拟冰盖时，初始冰塞头部向下游推进速度随水流的Fr增加而增加；弯槽段的堆积可有两个明流区域，这两个区域相对于弯顶具有粗略近似的对称性。在弯槽尾部模拟有初封条件时，试验揭示了冰塞的堆积演变有两种顺序，当Fr＜0．035时，弯槽段冰塞堆积是自上游向下游堆积；当0．035＜Fr＜0．06时，冰塞发展过程中出现冰波；当Fr＞0．06后，冰塞堆积的顺序是自下游向上游发展，此外，弯槽段冰塞堆积存在临界值，在试验的无量纲冰流量Q_1/Q=0．0065～0．0103范围内，Fr≤0．14时，弯槽段可以形成堆积，当0．14＜Fr≤0．15．弯槽段形成部分堆积，当Fr＞0．16时，弯槽段则无堆积。
试验发现，弯槽段冰塞发展和水位变化并不同步，水位变化相对滞后，冰塞形成过程中，上游水位较下游水位先涨，且上涨幅度也较大，冰塞水位增长的大部分是在初始阶段完成的；就水力单因子试验表明，水流速度增加，冰塞水位增长幅度减小，前期水深条件对冰塞水位增量没有明显的影响，增加冰流量会使冰塞水位增量加大，对于弯槽段冰塞水位的计算，提出了可考虑引入冰塞体积累积值或使用冰塞区间平均厚度的办法，以此可提高计算精度。
从理论上证明了在宽浅河道上，假定冰盖下分区水流平均速度及冰盖下水流平均速度相等是错误的，由数值计算分析证明了分区平均流速和冰盖下水流平均速度相互之间差异较小，随冰盖和床面糙率的变化，最大流速点的偏移范围有限，因此，尽管各区平均流速相等的假定与理论相悖，但由于其实际值相互之间相差较小，从而解释了在工程实际计算中假定各区流速相等是可行的原因。
基于随机轨道模型的冰粒运动模拟表明，颗粒较大的冰粒因所受浮力较大而较快的浮向冰盖底面，模拟计算的冰粒上浮速度与现有计算公式总体趋势相同。
基于Lagrangian轨道追踪，对180°弯槽段冰粒上浮进行了三维数值计算。研究发现，在满足重力相似准则条件下，原型与模型的速度、湍流强度、剩余压力等值线图总体类似，但在局部范围内，相似性较差，而在上浮率方面，原型与模型间方面具有较好的相似性。
【关键词】：冰塞 冰盖 弯槽 试验研究 临界值 冰塞发展顺序 水流速度 冰粒 两相流 模拟 轨迹 上浮率 【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：O359
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2008.020896
【目录】：
- 摘要8-9
- ABSTRACT9-11
- 致谢11-19
- 第一章 绪论19-32
- 1.1 河流冰塞问题19-21
- 1.2 国内外研究的现状简述21-30
- 1.3 本论文的主要研究内容30
- 1.4 试验条件简述30-31
- 1.5 本章小结31-32
- 第二章 直槽段冰塞形成的一般机理研究32-58
- 2.1 冰盖前缘的冰块下潜32-37
- 2.1.1 试验成果分析34-35
- 2.1.2 量纲分析与回归计算35-37
- 2.2 冰盖(塞)下冰块稳定性分析37-40
- 2.2.1 冰盖下冰块尺寸起动临界值计算形式的探讨37-40
- 2.2.2 与Tatinclaux计算公式的对比40
- 2.3 初始冰塞厚度与水流条件及冰流量的关系40-44
- 2.3.1 初始冰塞的形成41-42
- 2.3.2 试验分析42-43
- 2.3.3 初始冰塞的后期增厚43-44
- 2.4 平衡冰塞输冰的试验研究与计算式分析44-51
- 2.4.1 平衡输冰试验分析44-45
- 2.4.2 平衡冰塞输冰量分析45-51
- 2.5 冰盖下无粘性沙起动的试验研究51-57
- 2.6 本章小结57-58
- 第三章 弯槽段冰塞形成机理的试验研究58-73
- 3.1 弯槽段冰塞形成规律分析58-60
- 3.1.1 弯槽段冰盖下的纵向流速分布规律一般描述58
- 3.1.2 弯槽段冰盖下的横向流速分布规律一般描述58-59
- 3.1.3 弯槽段冰塞形成试验研究的现状59-60
- 3.2 弯槽段铺有模拟冰盖时冰塞形成与空同厚度分布的研究60-62
- 3.2.1 一般现象60-61
- 3.2.2 一般现象61-62
- 3.2.3 冰波现象62
- 3.3 在弯槽出口处加一浮动冰盖模拟初封条件62-72
- 3.3.1 有明流区情况63
- 3.3.2 有冰波情况63
- 3.3.3 冰塞体有整体滑移情况63-64
- 3.3.4 冰塞失稳的相关问题64-68
- 3.3.5 S型弯道试验68
- 3.3.6 Fr一定,冰流量变化时平衡冰塞厚度分布68-69
- 3.3.7 水流速度和冰流量一定,变水深时冰塞厚度分布69
- 3.3.8 与天然河道冰塞情况对比69-72
- 3.4 本章小结72-73
- 3.4.1 试验段先铺有模拟冰盖(对应河流全面封河的情况)72
- 3.4.2 弯槽尾部模拟初封条件的情况72-73
- 第四章 冰塞水位分析73-79
- 4.1 黄河河曲段冰期水位变化分折73
- 4.2 直槽中模拟冰塞水位的变化规律73-74
- 4.3 弯槽段冰塞水位试验分析74-77
- 4.3.1 试验现象和过程75
- 4.3.2 水流速度对水位增值的影响75-76
- 4.3.3 不同水深对水位的影响76
- 4.3.4 不同冰流量时平衡冰塞水位变化76-77
- 4.4 冰塞厚度与水位增值的关系77
- 4.4.1 直槽段冰塞厚度与水位增值关系77
- 4.4.2 弯道模拟冰塞厚度与水位关系77
- 4.5 模拟冰塞和天然河道冰塞水位交化对比77-78
- 4.6 本章小结78-79
- 第五章 冰盖下水流速度场研究79-112
- 5.1 封冻河道下流速分布的理论分析80-83
- 5.2 冰盖下水流速度场模拟83-97
- 5.2.1 数值模拟的基本理论83-93
- 5.2.2 冰盖下水流速度分布的二维(立面)数值模拟分析93-97
- 5.3 冰盖下的弯槽段水流速度分布研究97-110
- 5.3.1 弯道冰盖流水流结构试验分析99-100
- 5.3.2 沿主流向流速分布的表达式探讨100-101
- 5.3.3 横向速度分布分析101-103
- 5.3.4 实验室中S型连续弯道的测试数据分析103-107
- 5.3.5 具有冰盖的弯道水流速度场模拟107-110
- 5.4 本章小结110-112
- 第六章 基于多相流理论的模拟112-128
- 6.1 冰盖下冰花颗粒的随机运动模拟112-118
- 6.1.1 基于两相流理论的冰花运动基本方程112-113
- 6.1.2 流场的计算113-114
- 6.1.3 颗粒轨道的计算114-117
- 6.1.4 冰塞的推进与堆积117-118
- 6.2 冰花上浮率三维模拟118-126
- 6.2.1 水流运动基本方程与湍流模型118-119
- 6.2.2 实验模型的计算119-121
- 6.2.3 原型中的计算121-124
- 6.2.4 原型与模型冰花上浮率的对比124-126
- 6.3 本章小结126-128
- 第七章 全文总结与展望128-130
- 7.1 全文总结128
- 7.2 论文的主要创新点128-129
- 7.3 今后工作展望129-130
- 参考文献130-138
- 攻读博士学位期间发表的论文138
全文下载：
CAJ格式
不支持迅雷等加速下载工具，请取消加速工具后下载
|
|
|
|
| 1 |
高茜娣;Lowry法测定蛋白质含量的统计分析[J];应用数学;2001年04期 |
| 2 |
长侯;山东济宁地下水水质模拟及其污染趋势预测试验研究通过鉴定[J];水文地质工程地质;1984年06期 |
| 3 |
高茜娣;Bradford法测定蛋白质含量的统计分析[J];中南民族学院学报(自然科学版);2001年03期 |
| 4 |
丁维龙,熊范纶;植物模拟组件的设计与实现(英文)[J];中国科学技术大学学报;2003年06期 |
| 5 |
;《实验力学》2005年(第20卷)目录索引[J];实验力学;2005年04期 |
| 6 |
张银锁,宇振荣,P.M.Driessen;夏玉米植株及叶片生长发育热量需求的试验与模拟研究[J];应用生态学报;2001年04期 |
| 7 |
韦淑英,张兰,李刚,高宪林,李英俊;森林资源动态模拟系统的研制[J];中国林副特产;2002年03期 |
| 8 |
吴兴惠,史载锋;计算机辅助化学实验教学[J];海南师范学院学报(自然科学版);2003年02期 |
| 9 |
余江峰,童莉葛,丁红胜;拉伸试验系统的设计[J];物理实验;2001年07期 |
| 10 |
周 敏,肖胜超,薛常贵;修理系统的效益评价模型[J];应用概率统计;2002年02期 |
|
|
|
|
|
| 1 |
刘青勇;董广清;耿树德;武晓峰;唐杰;;淡水帷幕技术防治海(咸)水入侵试验研究[A];山东水利学会第二届青年科技工作者学术研讨会论文汇编（上册）[C];1998年 |
| 2 |
牛兴和;马作明;李再贵;刘传云;;玉米干燥工艺与品质试验研究[A];全面建设小康社会：中国科技工作者的历史责任——中国科协2003年学术年会论文集（上）[C];2003年 |
| 3 |
魏永昆;;人工培育羊黄试验研究[A];2002中国未来与发展研究报告[C];2002年 |
| 4 |
姚君山;杜岩峰;张彦华;;耗材摩擦焊敷试验研究[A];第十次全国焊接会议论文集（第1册）[C];2001年 |
| 5 |
张明德;穆希凤;;磨盘柿加工柿脯试验研究[A];中国园艺学会干果分会成立大会暨第二届全国干果生产与科研进展学术研讨会论文集[C];2001年 |
| 6 |
郭旭红;芮延年;刘文杰;万烈峰;;撞击流干燥机理的研究[A];第一届国际机械工程学术会议论文集[C];2000年 |
| 7 |
葛剑敏;王佐民;;轮胎花纹噪声机理的试验研究[A];中国声学学会2002年全国声学学术会议论文集[C];2002年 |
| 8 |
王建国;谢家声;张礼华;郭福存;;防治雏鸡白痢中西药合剂“雏痢康”的试验研究[A];中国畜牧兽医学会2003年学术年会论文集[C];2003年 |
| 9 |
江礼科;周贵云;邱礼有;;MN法吸收低浓度SO_2的试验研究[A];二氧化硫污染治理技术汇编——2001年全国烟气脱硫成套技术工程应用实例分析及学术研讨会论文集[C];2001年 |
| 10 |
李轶;张振;曹玉瑞;刘荣厚;牛卫生;武丽娟;;沼液利用的试验研究[A];中国太阳能学会生物质能专业委员会论文集[C];2001年 |
|
