博斯腾湖风生流平面二维数值模拟

【摘要】：博斯腾湖地处我国干旱的西北地区,具有水资源调控、农田灌溉、工业及城乡生活用水、流域生态环境保护和调水等多种功能。然而随着流域和湖区大规模开发,博斯腾湖面临严重的环境问题,已严重阻碍流域社会、经济与环境持续、协调与稳定发展。因此,博斯腾湖流域水环境保护与治理势在必行,而湖泊水动力学是水环境研究的基础,且湖流是湖泊主要动力过程中最重要的动力学指标,是湖泊中一切物理因子变化的基本动力条件,也是引起湖泊环境变化的一个极其重要的营造力。因此,研究湖泊的水流运动特性,是湖泊流域水环境保护、治理和水资源合理利用的基础,具有重要的实际价值。 针对博斯腾湖水平尺度远大于垂向尺度,水力参数在垂直方向变化要小于水平方向变化,其流场可用沿水深的平均流动量来表示的特点,本文在水深平均的二维流动数学模型的基础上,引进目前应用最广的K—ε二方程模式,建立了适用于大型浅水数值模拟的水深平均的K—ε紊流模型。在非结构化网格上采用有限体积法离散控制方程,提高了计算精度和效率。运用SIMPLEC算法进行数值求解,克服了为简化计算对二维物理机制常采用一维化数值处理的缺陷,使计算的流场更符合实际流场。模拟了不同风向、风速下博斯腾湖大湖区水流运动特性。 模拟结果表明:①由于博斯腾湖水体大,入流及泵抽水量小,且出、入流均位于湖的西南隅,因此,湖泊吞吐驱动的能量对湖流结构影响非常有限,驱动作用仅 西安理工大学硕士学位论文 限于大河口至东、西泵站一带,只引起较弱的环流。②湖中风生环流的流速比较缓 慢,风向、风速对湖泊的环流结构有显著影响,风向、风速的变化立刻引起流场的 变化。③不同的环流结构对入流与湖水混合程度有一定的影响,从而影响湖区的矿 化度分布及泵站取水水质。因此,风向、风速也是影响湖区水质状况及泵站取水水 质的主要原因。 关键词:风生流,数值模拟,K一二紊流模型,有限体积法,非结构化网格,,imPlec 算法。