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平面二维水沙数学模型的研究与应用

作　者: 关建伟
导　师: 李大鸣
学　校: 天津大学
专　业: 水力学及河流动力学
关键词: 平面二维水流泥沙数学模型 庙宫水库 泥沙连续方程 冲淤演变
分类号: TV149.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


上世纪70年代以来,随着电子计算机的普及与计算机性能的不断提高,人们在研究河流泥沙问题时,越来越多的采用了数学模型。它以数值方法和计算机技术为手段,通过对河流的数值模拟计算,解决河流工程所关心的问题。对二维水流泥沙数学模型的探索和研究已在水利、环境、港口航道、防洪等工程领域中取得了一定成果,但水流泥沙运动机理仍是工程问题中的重要研究课题。本文结合河北省水利水电勘察设计研究院《河北省庙宫水库汛期调度运用方式》项目,研究了平面二维水流泥沙数学模型的理论、方法和实际应用问题,主要工作如下:1.系统地推导了二维非恒定流、二维泥沙连续方程,应用有限体积法思想,采用分类简化离散方程的方法,降低了计算难度、节省了计算时间,为建立平面二维水沙数学模型奠定了基础。2.在已有的泥沙研究成果的基础上,提出并推导了新的泥沙连续方程形式,结合适合庙宫水库情况的爱因斯坦水流挟沙公式,建立了平面二维水沙数学模型。3.根据离散方程,编制Fortran计算程序,对庙宫水库库区内的水流和泥沙冲淤进行计算并与已有的实测资料对比,吻合效果较好,说明模型可以用于该水库的河道变形模拟。对上游来水、来沙情况和水库排沙控制水位序列13年水沙组合过程进行计算模拟,给出了全河段的流场分布、含沙量分布、河床冲淤演变分布的计算模拟成果。4.通过综合对比,定量分析了不同计算组合下床面冲淤演变情况,计算出排沙比,提出了水库现状泄流条件下最优清淤方案。研究成果不仅为理论研究提供了新思路,而且也为实际工程提供了可行的数值模拟方法,具有一定的理论创新和应用价值。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 绪论  7-18
  1.1 泥沙数学模型发展简况  7-8
  1.2 水沙数学模型基本方程及计算方法  8-11
    1.2.1 一维水沙数学模型  8-10
    1.2.2 平面二维水沙数学模型  10-11
  1.3 数值计算方法概述  11-14
    1.3.1 数值离散方法  11-13
    1.3.2 不规则边界的处理  13-14
    1.3.3 动边界的处理  14
  1.4 淤积上延现象  14-16
  1.5 本文的研究范围及其主要内容  16-18
第二章 河道复杂边界的处理技术  18-24
  2.1 斜对角笛卡尔方法的基本原理  18-19
  2.2 斜对角笛卡尔方法的优点  19-20
  2.3 实测边界在边界网格单元中的分布及处理  20-22
  2.4 本章小结  22-24
第三章 平面二维水流泥沙数学模型的建立  24-56
  3.1 二维水沙数学模型的基本方程  25-49
    3.1.1 水流控制方程二维化  26-32
    3.1.2 泥沙连续方程二维化  32-34
    3.1.3 河床变形方程  34-36
    3.1.4 关于悬沙连续方程的一些探讨  36-49
  3.2 初值条件及边界条件的处理  49-50
  3.3 网格划分  50-51
  3.4 水流挟沙能力  51-55
  3.5 本章小结  55-56
第四章 平面二维水流泥沙数学模型的数值模拟  56-63
  4.1 水流控制方程的离散  56-59
    4.1.1 水流连续方程的离散  56-57
    4.1.2 水流动量方程的离散  57-59
  4.2 泥沙连续方程的离散  59-61
  4.3 河床纵向变形方程的离散  61
  4.4 模型求解过程  61-62
  4.5 本章小结  62-63
第五章 水流泥沙数学模型验证及应用  63-102
  5.1 模型的基本特征  63-71
    5.1.1 工程概况  63-66
    5.1.2 水沙特性及河床组成  66-69
    5.1.3 水库淤积  69-71
  5.2 网格划分  71-74
  5.3 模型验证  74-80
    5.3.1 水流模型验证  74-79
    5.3.2 泥沙模型验证  79-80
  5.4 模型预报  80-88
  5.5 排沙量和淤积量分析  88-101
  5.6 本章小结  101-102
第六章 结论与展望  102-104
  6.1 结论  102-103
  6.2 工作展望  103-104
参考文献  104-107
发表论文和参加科研情况  107-108
致谢  108

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中图分类: > 工业技术 > 水利工程 > 水利工程基础科学 > 泥沙动力学、河流动力学 > 泥沙测验和试验研究 > 模型试验
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