水沙運(yùn)動(dòng)及植被影響的三維固液兩相雙流體湍流模型.pdf

1、本文基于連續(xù)介質(zhì)理論框架下的兩相流理論，分別建立了直角坐標(biāo)系和非正交曲線一坐標(biāo)系下的三維k-ε-Ap和k-ε-Kp固液兩相雙流體湍流模型，研究水沙的運(yùn)動(dòng)特性以及泥沙運(yùn)動(dòng)引起的床面變形；同時(shí)在三維k-ε-Ap固液兩相雙流體湍流模型的控制方程中考慮植被對(duì)水流的阻力作用以及植被存在誘發(fā)的水流湍動(dòng)動(dòng)能增加的效果，建立了考慮植被影響的三維k-ε-Ap固液兩相雙流體湍流模型，研究水生植被對(duì)水流泥沙運(yùn)動(dòng)以及床面變形的影響。 通過(guò)全面分析國(guó)內(nèi)外

2、三維水沙數(shù)學(xué)模型的進(jìn)展，指出了目前三維水沙數(shù)學(xué)模型存在的幾點(diǎn)不足，提出采用連續(xù)介質(zhì)理論框架下的雙流體模型研究固液兩相湍流運(yùn)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，并在周力行和劉大有兩位學(xué)者所建立的兩相流理論的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出張量形式的k-ε-Ap固液兩相雙流體湍流模型和考慮植被影響的k-ε-Ap固液兩相雙流體湍流模型。 建立了直角坐標(biāo)系下的三維k-ε-Ap和k-ε-Kp固液兩相雙流體湍流模型，采用有限差分法求解模型的控制方程，通過(guò)數(shù)值計(jì)算試驗(yàn)室小型順直水平和垂

3、直方管內(nèi)挾沙水流中的泥沙顆粒數(shù)密度、液相時(shí)均流速、固相時(shí)均流速、液相脈動(dòng)流速和固相脈動(dòng)流速的三維分布，并與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了所建立的三維k-ε-Ap和k-ε-Ap固液兩相雙流體湍流模型在研究固液兩相湍流方面的可靠性，展示了k-ε-Ap固液兩相雙流體湍流模型相對(duì)于k-ε-Ap固液兩相雙流體湍流模型的優(yōu)勢(shì)。 建立了非正交曲線坐標(biāo)系下的三維k-ε-Ap固液兩相雙流體湍流模型，曲線坐標(biāo)系中的ζ-η平面嚴(yán)格正交，ζ-ζ面和η-ζ

4、面非正交，采用有限體積法求解模型的控制方程，通過(guò)計(jì)算S型彎道內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證了所建立的模型中液相模塊的準(zhǔn)確性；通過(guò)模擬1200彎道內(nèi)水流和泥沙的運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證了所建立的模型中懸沙模塊的準(zhǔn)確性；通過(guò)模擬120。彎道和180。彎道內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)、懸沙運(yùn)動(dòng)、床沙運(yùn)動(dòng)和床面變形，驗(yàn)證了所建立的模型中床面變形模塊的準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)詳細(xì)比較三維固液兩相單流體湍流模型和三維k-ε-Ap固液兩相雙流體湍流模型在水沙兩相流動(dòng)和床面變形數(shù)值結(jié)果中的異同之后，認(rèn)為三維k

5、-ε-Ap固液兩相雙流體湍流模型能夠更加準(zhǔn)確地模擬彎道內(nèi)水流的橫向流速對(duì)泥沙橫向運(yùn)動(dòng)的影響。 在非正交曲線坐標(biāo)系下的三維k-e-Ap固液兩相雙流體湍流模型的相關(guān)控制方程中添加植被阻力項(xiàng)或者植被誘發(fā)的湍動(dòng)動(dòng)能生成項(xiàng)，建立了考慮植被影響的三維k-t-Ap固液兩相雙流體湍流模型，通過(guò)計(jì)算順直水槽中全部寬度內(nèi)布置淹沒(méi)或者非淹沒(méi)的水生植被后水流的垂直結(jié)構(gòu)、順直水槽內(nèi)局部區(qū)域布置非淹沒(méi)的水生植被后水流的平面結(jié)構(gòu)、60。彎曲水槽內(nèi)局部區(qū)域布置

6、非淹沒(méi)的水生植被后水流的三維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)驗(yàn)證了模型中液相模塊的準(zhǔn)確性：通過(guò)計(jì)算順直水槽內(nèi)布置淹沒(méi)的水生植被后的水流和懸沙的運(yùn)動(dòng)研究了植被對(duì)懸沙運(yùn)動(dòng)的影響；通過(guò)計(jì)算順直水槽內(nèi)局部區(qū)域布置水生植被后的水流泥沙運(yùn)動(dòng)和床面變形情況以及60。彎曲水槽內(nèi)局部區(qū)域布置非淹沒(méi)的水生植被后的水流泥沙運(yùn)動(dòng)和床面變形情況驗(yàn)證了模型中床面變形模塊的準(zhǔn)確性。床面變形的數(shù)值結(jié)果之間的比較表明考慮植被影響的三維k-ε-Ap固液兩相雙流體湍流模型的精度比三維固液兩相單流體