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分汊口水沙运动特征及三维水流数学模型应用研究

童朝锋  
【摘要】:分汊流是常见的水流运动形态,常出现在天然河流、引水明渠等工程中,受边界控制,水流结构复杂,河道演变特殊。论文采用理论分析、分汊水槽试验和数值模拟等方法对分汊河道的相关问题开展了研究,主要内容如下: (1) 提出研究分汊流的意义,指出分汊流运动的复杂性,回顾了分汊流相关研究历史和现状,包括河道分流成因的研究、分汊河道水沙运动及演变规律研究、论述了数值模型研究进展及在分汊流计算应用现状。 (2) 建立分汊河道分流比预测模型,包括:水位差等值法、动量平衡法、等含沙量法和人工神经网络模型预测法。水位差等值法利用各支汊水位差相等条件;动量平衡法利用分汊口动量平衡原理;等含沙量法利用分汊河道各汊泥沙浓度相近条件;人工神经网络模型则是应用人工神经网络的“黑箱子”原理和已有当地分流资料建立预测模型,各模型均有实例验证以说明模型的可行性和正确性。 (3) 通过分汊水槽的分水分沙试验,提出分汊口区域的水动力结构和泥沙运动特征。利用多普勒流速仪测定并分析了分汊口的水流结构;进行分汊水槽的分沙比试验研究,得出了分流比、水槽宽深比、分流角度以及泥沙颗粒对分沙比的影响关系。 (4) 探讨正交网格的生成方法,提出了正交网格的待定函数生成法和水深权函数法,其中水深权函数法可考虑水深的影响,对因水深变化剧烈而导致水流条件复杂区域网格可局部加密。 (5) 推导了广义曲线坐标系下以逆变流速张量作为主变量的二维水动力方程,新方程保持原有结构形式及物理含义,采用水位校正法建立了二维水流数学模型,经实测资料验证后的模型,模拟并分析了分流角度、宽深比等因素变化对分汊流平面二维水流结构的影响。 (6) 推导出以逆变流速张量作为主变量的三维水动力方程,方程平面采用广义曲线坐标,垂向采用伸缩σ坐标,新方程保持原有结构形式和物理意义,采用SIMPLEC法建立了三维水流数学模型,经实测资料验证后的模型,模拟不同边界条件下的分汊口水动力结构,得出分汊口底部流场较表层流场复杂,断面存在横向环流;大分汊角范围内的分汊角度变化对分流面影响较小分汊角范围内的分汊角度变化敏感:分汊流三维特性随宽深比的增大而减小,宽深比大于200乃时,分流面沿水深基本不变。 (7) 建立长江口三维水动力数值模型,模拟分析了南北槽分汊口的水动力结构,提出了北槽涨潮先于南槽至南北槽分汊口对减少北槽的淤积有利,同时指出在长江口南北槽分汊口横向环流很弱,对南、北槽分沙影响甚微。


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