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南水北调中线明渠段事故污染特性模拟方法研究

作　者: 朱德军
导　师: 陈永灿
学　校: 清华大学
专　业: 水利工程
关键词: 事故污染数值模拟通量差分裂格式南水北调梯形明渠
分类号: X52
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 247次
引　用: 2次
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内容摘要

南水北调中线明渠段一旦发生水污染突发事故,必须快速揭示不同运行条件下污染物的输移扩散规律,提出事故处置对策。论文通过建立纵向一维和水深平均二维水流-水质数值模型,对事故污染特性的模拟方法进行了深入研究,并开展了针对南水北调中线典型明渠段突发事故污染的模拟分析。论文建立了高精度的一维水流-水质数值模型,模型中分别采用Preissman和Preissman-Holly格式离散水流及水质方程,保证了数值离散具有良好的精度和稳定性。首次将最大信息熵原理应用于梯形明渠,确定了纵向流速的断面分布公式,基于Fischer的三重积分方法,提出了精确的纵向离散系数计算公式。论文还建立了水深平均二维水流-水质模型,选用通量差分裂格式求解方程组的对流项,能有效处理各种复杂流态,并高分辨率模拟污染物的输移扩散。通过构造离散单元内部流动变量分布,间接求解底坡项,考虑了底坡项作用的迎风特性并简化了边界条件。提出了淹没节点法和守恒型人工渗透法,用以处理动边界问题;采用网格局部加密技术和当地时间步长法,提高模型的精度和效率。论文通过多个典型算例对建立的二维模型进行了验证,表明模型可以处理溃坝波、急流和缓流过渡、间断浓度场等流场和浓度场突变的问题。论文利用一维和二维模型研究了正常运行情况下南水北调中线典型明渠段水体流动和污染物输移的规律。两种模型都能准确地模拟污染云团的平均移动速度,一维模拟具有快速、及时的优点,但是,由于忽略了射流核心区和扩散区的影响,模拟结果中将污染云团的偏态分布形式近似为正态分布,错估了最大浓度点的移动速度,并夸大了污染云团的纵向长度;二维模型不仅能更准确地模拟污染云团的纵向分布特征,还能反映污染物进入水体的横向位置对浓度场的影响,污染物进入水体越快、横向混合系数越小,越有必要采用二维模型准确模拟污染物的输移规律。在恒定流模拟的基础上,论文利用二维模型对事故处置过程中,采用闸前定水位控制运行方式下的非恒定流场和浓度场进行了模拟研究,研究表明上游节制闸门的关闭历时应大于两倍渠道长度与渠道中浅水长波波速的比值,关闭闸门不仅会减缓污染云团的平均运动速度,还将改变云团的浓度分布情况,关闭速度越快影响越大。论文成果为深入分析南水北调中线明渠段水污染事故的特性和进一步研究事故处理措施,提供了坚实的理论和技术基础。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-22
  1.1 工程背景及研究意义  10-11
  1.2 水体中水流特性与污染物输移过程研究现状  11-12
  1.3 开展南水北调中线明渠水污染事故研究的思路  12-13
  1.4 数值模拟中关键问题的研究现状  13-20
    1.4.1 纵向离散系数的研究综述  13-14
    1.4.2 离散格式的发展现状  14-16
    1.4.3 水平紊动项的常用处理方法  16
    1.4.4 目前底坡项的处理方法及缺陷  16-17
    1.4.5 目前动边界的处理方法及缺陷  17-19
    1.4.6 糙率系数的研究综述  19-20
  1.5 本文的主要研究内容  20-22
第2章一维水流-水质数值模型和纵向离散系数研究  22-39
  2.1 一维水流数学模型的建立  22-24
    2.1.1 一维水流模型的差分离散  22-24
    2.1.2 差分方程的求解  24
  2.2 一维水质数学模型  24-27
  2.3 梯形断面明渠中纵向离散系数研究  27-37
    2.3.1 纵向流速分布公式的推导  27-33
    2.3.2 梯形断面明渠纵向离散系数研究  33-37
  2.4 本章小结  37-39
第3章水深平均二维水流-水质数学模型  39-51
  3.1 三维水流-水质方程组  39-41
    3.1.1 水流连续和运动方程  39-40
    3.1.2 标量输移扩散方程  40-41
  3.2 水深平均二维水流-水质方程组  41-44
  3.3 离散项的处理  44-46
  3.4 水平紊动扩散项的处理  46-50
    3.4.1 水平紊动粘性系数  46-48
    3.4.2 k-ε方程的边界条件  48-50
  3.5 本章小结  50-51
第4章基于激波捕捉格式的水深平均二维有限体积模型  51-68
  4.1 二维水流-水质方程组的有限体积离散  51-53
    4.1.1 守恒型水流-水质方程组  51-52
    4.1.2 方程组的有限体积离散  52-53
  4.2 法向数值通量的求解  53-57
    4.2.1 局部黎曼问题  54
    4.2.2 局部黎曼问题的FDS 格式求解  54-57
  4.3 底坡项的处理  57-59
  4.4 动边界的处理  59-62
    4.4.1 淹没节点法  59-61
    4.4.2 守恒型人工渗透法  61-62
  4.5 网格局部加密和当地时间步长法  62-65
    4.5.1 网格局部加密  62-63
    4.5.2 当地时间步长法  63-65
  4.6 格式的二阶修正  65-66
  4.7 边界条件  66-67
  4.8 本章小结  67-68
第5章水深平均二维水流-水质模型的验证  68-85
  5.1 二维部分溃坝波计算  68-69
  5.2 水面自由振荡算例  69-72
  5.3 不规则床面上恒定渐变流动  72-74
  5.4 起伏床面上的过渡流计算  74-76
  5.5 反坡上的溃坝问题  76-79
  5.6 长直明槽侧向入流的模拟  79-81
  5.7 方形浓度场纯对流问题的模拟  81-84
  5.8 本章小结  84-85
第6章南水北调中线典型明渠段事故污染研究  85-116
  6.1 计算区域和条件  85-86
  6.2 模型参数分析  86-88
    6.2.1 糙率系数的取值  86
    6.2.2 一维水质模型中离散系数的取值  86-87
    6.2.3 水深阈值δ的确定  87-88
  6.3 典型污染事故污染物输移规律  88-103
    6.3.1 恒定流中污染物的输移过程  88-102
    6.3.2 恒定流中模拟结果的讨论  102-103
  6.4 事故处置过程研究  103-114
    6.4.1 处置过程的安全要求  104-110
    6.4.2 事故处置过程中污染物的输移规律  110-114
  6.5 本章小结  114-116
第7章总结  116-120
  7.1 论文主要工作总结  116-117
  7.2 论文主要创新点  117-118
  7.3 展望  118-120
参考文献  120-128
致谢  128-129
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  129

南水北调中线明渠段事故污染特性模拟方法研究

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