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弯道冰塞堆积三维数值模拟研究

陈胖胖  
【摘要】: 冰塞是引发高纬度地区河流凌汛灾害的重要因素,因此研究河冰运动内在机理,对避免凌汛灾害的发生具有一定的意义。随着计算机技术日新月异的发展,国内外学者在研究河流冰塞现象时,越来越多的采用了数学模型的方法。数学模型以其方便高效,费用低廉的优势,已经成为研究河冰运动规律的一种重要手段。本文以研究冰塞厚度及其分布为目的,针对流动区域为弯曲河道这一不规则的特点,采用贴体坐标转换技术生成曲线网格。基于平面贴体坐标变换、竖向采用σ坐标变换,尝试建立了三维河冰数学模型。运用有限体积法对k-ε紊流模型控制方程进行离散,采用非交错网格布置,为了避免压力场的波动,由动量插值导出控制体交界面流速公式,运用压力校正法耦合求解水深流速变量。鉴于水内冰输运堆积和泥沙运动的相似性,借鉴了相关泥沙输运理论,同时考虑悬冰花输运和盖移质输冰两方面的影响,对冰塞堆积进行数值模拟。在算例中,采用此模型模拟求解了实验室U型水槽内的冰塞堆积结果,计算结果与实测资料吻合较好,表明三维模拟具有一定的实效性,为模拟天然河流的冰塞现象积累了宝贵的经验。


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