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《西安理工大学》 2003年
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大型湖泊水库平面及垂向二维流场与水质数值模拟

冯民权  
【摘要】: 由于实际工程中湖泊、水库、河流、河口区域边界几何形状的不规则,以及水动力学方程的非线性性质,使得理论分析解难以作出,只能求助于数值解。数值模拟具有成本低、速度快、资料完备、具有改变各种参数、模拟真实条件及理想条件的能力。计算水力学中所求解的是非线性偏微分(积分)方程组,其数值方法的现有数学理论尚不够充分,严格的稳定性分析、误差估计和收敛性证明等理论工作的发展还跟不上数值模拟方法的进展。所以,需依靠对非线性数学方程的数值实验及数值解与试验或典型算例结果的比较和物理特性分析,验证数值计算结果,进一步改进计算方法。大多数生产实践问题要求进行二维水流水质数值模拟。在海岸、河口、湖泊、大型水库等广阔水域地区,水平尺度远大于垂向尺度,水力参数(如流速等)在垂直方向变化要小于水平方向的变化,其流场可用沿水深的平均流动量来表示,可采用平面二维水流流场与水质数值模拟技术。而在另外一些水域,如窄深潮汐通道、窄深型河谷水库如三峡、窄深河口地区,有关参量(如流速、温度、浓度等)的垂向变化要比水平横向的变化为大,应采用垂向二维水流水质数值模拟技术。 西安理工大学博士学位论文 本文主要工作:对二维非恒定流,既处理了不规则域,又研究了各种算法;不仅 做了平面二维,而且做了垂向二维;不仅计算了水流流场,也计算了水质变化;包括 了算例算法的研究和应用,也结合了Gls技术;平面二维模型采用了边界拟合坐标变 换,适应不规则的区域形状;垂向二维模型结合口坐标变换,可精确跟踪自由表面与 非规则的地形边界。对水平尺度远大于垂向尺度,水力参数(如流速等)在垂直方向 变化要小于水平方向变化的广阔水域地区,其流场可用沿水深的平均流动量来表示。 考虑自由水面与水深的影响,建立坐标变换、交替方向、交错网格、线性递推、隐格 式的平面二维水流与水质模型。对宽深比较小,有关参量(如流速、温度、浓度) 的垂向变化比水平横向的变化为大的窄深型河谷水库等区域,建立垂向二维水流与 水温数学模型。垂向做叮变换将可变域变为规则区域,使计算精确拟合自由面与底 部边界。采用算子分裂法、交错网格法、有限差分法进行计算。 所建立的平面二维模型和垂向二维模型均在实际工程中得到应用,其中: 在大庆市洪水模拟中采用平面二维非恒定流模型,ro天洪水可在1小时内计 算完毕,实现洪水演进的快速预报,为指挥防洪提供科学依据;采用贴体坐标技术, 可完全适应不规则的区域、河流边界;同时将GIS、遥感技术和洪水模拟技术有机 地结合起来,实现实时动态地显示、率定模型参数,显示洪水演进过程、实时地查 询洪水演进过程的参数等。 在博斯腾湖大水体研究中采用平面二维水流与水质模型,可完全适应不规则的 湖岸边界,考虑表面风应力,对吞吐量、风力、泵站位置、水位四种因素的多种组 合情况下的博斯腾湖风生环流、矿化度分布及出流水质进行了模拟计算,获得了一 些有意义的研究成果。 糯扎渡水库属峡谷型高坝大库,对糯扎渡水电站,采用垂向二维水流数学模型, 模拟了水电站机组启动过程的非恒定水流流动,模拟结果是合理的。这对于中国西 南地区类似的峡谷型高坝大库的水电站与三峡水电站垂向二维非恒定流模拟具有 参考价值。
【学位授予单位】:西安理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TV131.6

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