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《西南交通大学》 2007年
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格子Boltzmann方法理论及其在泥石流研究中的应用

王沁  
【摘要】: 泥石流是普遍存在于山区的一种突发性自然现象。它是不同于通常的牛顿流体,运动过程呈现非线性的特殊流体。格子Boltzmann方法,作为一种从微观领域出发的求解流体力学问题的新数值方法,可能成为求解泥石流这一类特殊流体力学问题的全新方法。 本文根据泥石流的非线性特征以及泥石流入汇主河的实验结果,对平衡态分布函数、非平衡态函数等Boltzmann模型因子进行了改造,建立了几种各具特色的格子Boltzmann模型,成功模拟了泥石流的一维运动过程,二维堆积过程,以及泥石流入汇主河的过程。 本文的工作主要包括: 1、针对泥石流的非线性特征,以及泥石流入汇主河的复杂性,从格子Boltzmann方法的理论可以看出:格子气方法不适合应用于泥石流的研究,格子BGK方法用于泥石流及泥石流入汇主河的研究具有一定的可行性;增强碰撞算子格子Boltzmann方法用于泥石流及泥石流入汇主河的研究,必须对其进行改造和创新。 2、通过求解Burgers方程、求解一维水击现象的偏微分方程组,以及模拟主河清水的运动,探讨了格子Boltzmann方法在牛顿流体中的应用。从建立上述三个格子Boltzmann模型可以看出:如何构造平衡态分布函数,使其反映了流体运动的非线性特征,是建立合理的泥石流格子Boltzmann模型的核心问题。 3、针对一维粘性泥石流的运动过程和二维泥石流堆积过程,设计了两种格子Boltzmann模型:(1)设计了平衡态分布函数是泥深和速度的非线性函数的一维格子Boltzmann模型,该模型成功获得了不同断面的水深和流速随时间的变化曲线;(2)设计了非平衡态分布函数是泥深和流速梯度的线性函数的二维格子Boltzmann模型,该模型成功获得了堆积扇横剖面分层结构图,模拟了泥石流的堆积过程。 4、针对泥石流入汇主河,开展多组入汇角度不同的模型实验。从模型实验现象可以看出:(1)主河与泥石流支沟的流量比、主河水流的速度、以及入汇角度等因素对泥石流入汇主河相互作用机制的影响;(2)入汇角为45°时泥石流与主河交汇的流动特性,与90°交汇时的流动特性有本质不同;(3)入汇角为30°时泥石流与主河交汇的流动特性,与60°交汇时的流动特性具有相似性。实验现象表明:针对垂直主河方向的速度与顺主河方向流速差异不同应建立不同的格子Boltzmann模型;主河清水不仅对泥石流运动速度具有影响,而且对泥石流结构造成破坏,在处理过程中具有一定的困难和复杂性。 5、针对垂直主河方向的速度与顺主河方向流速差异,以及主河清水的处理方式,设计了不同的格子Boltzmann模型:(1)设计了平衡态分布函数是速度、密度、动量梯度的非线性函数的格子Boltzmann模型,该模型成功模拟了90°交汇时泥石流入汇主河的过程,为研究泥石流入汇主河的运动机理提供一种新手段。(2)设计了混合格子Boltzmann模型,该模型模拟45°时泥石流入汇主河的现象,为分析不同角度下泥石流入汇主河的相互机制提供一种新手段。(3)对空间引入旋转变换,建立了映射格子Boltzmann模型,该模型模拟了30°交汇时和60°交汇时泥石流入汇主河的现象,从而了解不同入汇角度下泥石流入汇主河的相互作用机制。(4)考虑主河清水对泥石流运动速度和对泥石流结构的影响,本文还提出了一个新模型——双分布函数的格子Boltzmann模型。通过与相应的室内实验进行对比,可以看出双分布格子Boltzmann模型反映了不同空间不同时间主河清水对泥石流结构的破坏和速度的影响。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:P642.23

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【引证文献】
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1 罗金辉;煤层气运移LBM模型与井间干扰模拟研究[D];中国矿业大学;2012年
2 沙杰;液固流化床中颗粒分选行为和运动特性的研究[D];中国矿业大学;2013年
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1 张卓鹏;基于格子Boltzmann的流体景观建模与快速绘制[D];华东师范大学;2011年
2 苟印祥;泥石流动力特性的数值模拟研究[D];重庆大学;2012年
【参考文献】
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 张邵波;纳米流体强化传热的实验和数值模拟研究[D];浙江大学;2009年
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5 周陆军;磁流体流动及能量传递特性的多尺度研究[D];南京理工大学;2010年
6 苏志满;泥石流灾变控制与模型化分析方法[D];中南大学;2011年
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8 樊赟赟;泥石流动力过程模拟及特征研究[D];清华大学;2010年
9 张云;多孔介质中流动的格子Boltzmann模拟[D];中国石油大学;2011年
10 曾建邦;基于气泡生长及多相流动的格子Boltzmann模型及应用研究[D];重庆大学;2011年
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1 何梦玥;基于LBM的医学影像非刚体配准方法研究[D];西安电子科技大学;2011年
2 张继成;厢式货车空气动力减阻的数值模拟[D];吉林大学;2011年
3 姜旭东;Maxwell方程的格子Boltzmann模型[D];吉林大学;2011年
4 李宁;格子Boltzmann方法研究蒸汽泡在过冷水中的传热传质规律[D];大连理工大学;2011年
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6 王威;秦岭北麓中段芷阳沟泥石流特征分析及预测研究[D];长安大学;2011年
7 沈远;大渡河长河坝水电站泥石流特征及危险性评价[D];西南交通大学;2011年
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9 彭昌翠;汶川地震区映秀至耿达公路泥石流灾害发育特征及其危险性评价[D];成都理工大学;2011年
10 张利平;绵竹市银杏景区走马岭沟泥石流发育特征及活动性研究[D];成都理工大学;2011年
【同被引文献】
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1 骆祖江;沁水盆地3~#煤层气井三维数值模拟[J];吉林大学学报(地球科学版);2003年04期
2 骆祖江,叶建平;沁水盆地FZ煤层气井网三维数值模拟[J];成都理工大学学报(自然科学版);2005年03期
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8 朱益华;陶果;方伟;王胜奎;;低渗气藏中气体渗流Klinkenberg效应研究进展[J];地球物理学进展;2007年05期
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1 李伟;吴建国;;淮北矿区煤层气抽采技术与实践[A];煤层气勘探开发理论与实践[C];2007年
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1 刘芳;格子Boltzmann方法求解偏微分方程的相关研究[D];吉林大学;2011年
2 贾红丽;多角形区域上偏微分方程混合非齐次边值问题的谱元方法和区域分解拟谱方法[D];上海师范大学;2011年
3 赵凯;基于孔隙尺度的多孔介质流动与传热机理研究[D];南京理工大学;2010年
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6 张群;煤层气储层数值模拟模型及应用的研究[D];煤炭科学研究总院;2002年
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9 许友生;用晶格Boltzmann方法研究多孔介质内流体的复杂动力学特征[D];华东师范大学;2006年
10 段雅丽;格子Boltzmann方法及其在流体动力学上的一些应用[D];中国科学技术大学;2007年
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1 白雪峰;太原市山西虎峪沟泥石流诱发机理研究[D];太原理工大学;2011年
2 郑宪宝;人工裂缝井生产动态模拟研究[D];大庆石油学院;2006年
3 王建瑜;谱方法在计算流体力学中的应用研究[D];西北工业大学;2007年
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6 卢泉杰;油藏数值模拟中复杂网格系统生成技术研究[D];中国石油大学;2008年
7 邢玉飞;基于LBM地下煤层瓦斯运移仿真实现[D];西安建筑科技大学;2009年
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10 蒋瑜阳;成九铁路泥石流形成条件与分布规律研究[D];成都理工大学;2010年
【二级引证文献】
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1 徐慧;粒子群优化算法改进及其在煤层气产能预测中的应用研究[D];中国矿业大学;2013年
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1 戴金球;基于流体模型的典型自然现象模拟[D];华东师范大学;2012年
【二级参考文献】
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1 张友谊;胡卸文;吕小平;王华;;柳洪沟泥石流发育特征及其防治对策[J];铁道建筑;2007年03期
2 罗向奎;陈鹏;;重庆市泥石流特征及防治对策[J];地下空间与工程学报;2010年S2期
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5 文安邦,张信宝,张一云,徐家云,白立新;云南东川泥石流沟与非泥石流沟~(137)Cs示踪法物源研究[J];泥沙研究;2003年04期
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7 李秀珍;刘希林;苏鹏程;;四川凉山州安宁河流域泥石流危险性评价[J];防灾减灾工程学报;2005年04期
8 李泳;刘晶晶;陈晓清;胡凯衡;;泥石流流域的概率分布[J];四川大学学报(工程科学版);2007年06期
9 庾莉萍;;东川红土地:激情燃烧的召唤[J];防灾博览;2008年02期
10 卢铖昀;王士革;汪阳春;严冬春;林明安;;四川省宁南县石洛沟泥石流灾害及防治对策[J];水土保持研究;2008年03期
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3 康志成;杨仁文;;泥石流的动力地质过程[A];全国第三次工程地质大会论文选集(下卷)[C];1988年
4 严璧玉;;成昆铁路北段峡谷区潜在型泥石流[A];全国第三次工程地质大会论文选集(下卷)[C];1988年
5 田孝诚;徐勤;;对我国北方山区铁路泥石流的初步认识与选线体会[A];全国第三次工程地质大会论文选集(下卷)[C];1988年
6 王宇丰;;遥感技术在成昆铁路沙湾至泸沽泥石流普查与动态研究中的效果[A];第四届全国工程地质大会论文选集(三)[C];1992年
7 柏永岩;彭静;;绵竹清平文家沟泥石流监测方案设计[A];2011四川省水文、工程、环境地质学术交流会论文集[C];2011年
8 金宝森;;浅谈我国泥石流分布情况与防治——民政部门应对舟曲泥石流所采取的措施[A];2011中国环境科学学会学术年会论文集(第三卷)[C];2011年
9 马喜;;河南省泌阳县泥石流地质灾害的发育特征及防治对策[A];河南地球科学通报2008年卷(中册)[C];2008年
10 纪海锋;谢洪毅;陈长江;;孔泥巴沟泥石流形成机制及动力学特征分析[A];2011四川省水文、工程、环境地质学术交流会论文集[C];2011年
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1 记者 王立彬;专家:泥石流防不胜防,因此须防上加防[N];新华每日电讯;2010年
2 杨建 罗会江 记者 刘云云;映秀红椿沟泥石流应急治理主体工程完工[N];四川日报;2011年
3 刁建钟 李莉莎 记者 刘小波;135地质队 完成地质灾害勘查[N];泸州日报;2008年
4 记者 赵梅;舟曲泥石流监测预警项目建设启动[N];甘肃日报;2011年
5 本报记者 高文;重回清平[N];农民日报;2010年
6 本报记者 罗会江 本报特约记者 金光;攻克世界难题[N];中国国土资源报;2011年
7 本报记者 刘维;用责任为大地疗伤[N];中国国土资源报;2010年
8 本报记者 王代林;600米断道上的10日拼搏[N];四川日报;2011年
9 记者 朱国亮 宋常青 王艳明;月圆村村民:想明白了,也站起来了[N];新华每日电讯;2011年
10 徐连欣;泥石流瞬间暴发的灾难[N];兰州日报;2006年
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1 苏志满;泥石流灾变控制与模型化分析方法[D];中南大学;2011年
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3 张晨;基于非线性系统的金沙江攀西河段水系形态及泥石流危害研究[D];吉林大学;2011年
4 杨鑫;基于3S技术的汶川强震区潜在突发性泥石流危险性区划及评价研究[D];成都理工大学;2012年
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6 夏添;震区泥石流危险性评价及预警减灾系统研究[D];成都理工大学;2013年
7 刘江川;泥石流数学模型构建及危险性评价研究[D];天津大学;2011年
8 陈中学;粘土颗粒含量对蒋家沟泥石流启动影响及成灾机理研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2010年
9 孟凡奇;基于GIS的泥石流预测预报[D];吉林大学;2011年
10 张慧;基于计算智能和GIS的暴雨型泥石流分析预测研究[D];中国地质大学(北京);2013年
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1 李巧刚;密云西北部山区泥石流危险性评价[D];中国地质大学(北京);2010年
2 王昱;山区沿河公路路基在泥石流作用下破坏机制与防护技术研究[D];重庆交通大学;2010年
3 易静;泥石流对成兰铁路镇江关车站影响评价[D];成都理工大学;2010年
4 蒲达成;汶川震区典型崩塌、滑坡、泥石流分析及防治措施探讨[D];成都理工大学;2010年
5 韩林;泥石流暴发频率与其形成区颗粒粒径的关系研究[D];成都理工大学;2010年
6 鲁科;泥石流暴发频率与其形成区岩性的相关性研究[D];成都理工大学;2010年
7 白雪峰;太原市山西虎峪沟泥石流诱发机理研究[D];太原理工大学;2011年
8 刘欣宇;人工神经网络在泥石流预测中的应用研究[D];西安科技大学;2011年
9 任金龙;基于支持向量的铁路泥石流危险性评价方法研究[D];西南交通大学;2011年
10 贾世涛;拦沙坝对泥石流调控机制的试验研究[D];西南交通大学;2011年
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