輸水渠道潛冰運(yùn)動規(guī)律的物理模型與數(shù)值模擬研究.pdf

1、高緯度地區(qū)的輸水渠道在冬季輸水過程中,會形成冰塞、冰壩等冰情現(xiàn)象。這將顯著的減小輸水流量、抬高水位,而冰塞體的潰決會造成下游更嚴(yán)重的災(zāi)害。下潛至冰蓋底面的冰凌稱為潛冰。由于冰凌下潛和停滯是冰塞形成和發(fā)展的基礎(chǔ),在研究冰凌下潛臨界條件的基礎(chǔ)上,本文進(jìn)一步研究潛冰運(yùn)動規(guī)律,特別是停滯與啟動的臨界條件,對冰害的防治具有重要意義。
　　本文采用物理模型與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行研究,按照重力相似準(zhǔn)則,開展了不同水流條件和冰凌尺度的潛冰運(yùn)動

2、物理模型試驗(yàn);建立了三維數(shù)值模型,分析潛冰的水動力特性,并獲得了潛冰停滯與啟動臨界條件。具體研究內(nèi)容與成果概括如下:
　　(1)選擇密度接近天然冰密度的聚乙烯作為冰蓋和潛冰的模型材料。對模型試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則進(jìn)行了研究,按照重力相似準(zhǔn)則對潛冰的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)。通過改變冰蓋下水流速度V、水深h及潛冰的形狀(厚度t,長度l,寬度b)等因素,證實(shí)了潛冰的縱向啟動流速大于橫向啟動流速。潛冰運(yùn)動規(guī)律研究的關(guān)鍵為研究縱向狀態(tài)潛冰的臨界

3、條件——停滯與啟動。試驗(yàn)獲得了潛冰臨界狀態(tài)的影響因素:隨著相對形狀t/l,相對水深t/h及相對寬度b/B的增加,潛冰的臨界冰厚Froude數(shù)Ft相應(yīng)減小。對不同工況下試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得到更為準(zhǔn)確的潛冰滑動啟動臨界條件的形式。
　　(2)為進(jìn)一步分析潛冰的臨界狀態(tài),采用數(shù)值模擬研究潛冰底面水壓力的計(jì)算方法。結(jié)合Realizable紊流模型,及壁面函數(shù)對潛冰底面的文丘里效應(yīng)和前緣效應(yīng)進(jìn)行了精準(zhǔn)的模擬。以Larsen的物理模型試驗(yàn)

4、為原型建立數(shù)值模型,獲得冰蓋下流速 V沿水深 h的分布情況。將數(shù)值模型輸出結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,證實(shí)模擬結(jié)果的有效性。通過分析文丘里效應(yīng)和前緣效應(yīng)的影響因素:冰蓋下水流流速V,相對水深t/h和相對寬度b/B,得到了非全寬潛冰的文丘里效應(yīng)和前緣效應(yīng)的修正計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行積分,獲得了潛冰底面水壓力的估算公式。
　　(3)基于對水壓力、拖曳力、剪切力、有效浮力及摩擦力的研究,分析潛冰的受力平衡,獲得了潛冰停滯與啟動臨界條件的計(jì)