水沙運動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系和非正交曲線一坐標系下的三維k-ε-Ap和k-ε-Kp固液兩相雙流體湍流模型，研究水沙的運動特性以及泥沙運動引起的床面變形；同時在三維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水流的阻力作用以及植被存在誘發(fā)的水流湍動動能增加的效果，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，研究水生植被對水流泥沙運動以及床面變形的影響。 通過全面分析國內(nèi)外

2、三維水沙數(shù)學模型的進展，指出了目前三維水沙數(shù)學模型存在的幾點不足，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動的優(yōu)勢，并在周力行和劉大有兩位學者所建立的兩相流理論的基礎上，推導出張量形式的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，通過數(shù)值計算試驗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、液相時均流速、固相時均流速、液相脈動流速和固相脈動流速的三維分布，并與試驗測量結(jié)果進行比較，驗證了所建立的三維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于k-ε-Ap固液兩相雙流體湍流模型的優(yōu)勢。 建立了非正交曲線坐標系下的三維k-ε-Ap固液兩相雙流體湍流模型，曲線坐標系中的ζ-η平面嚴格正交，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，通過計算S型彎道內(nèi)的水流運動驗證了所建立的模型中液相模塊的準確性；通過模擬1200彎道內(nèi)水流和泥沙的運動驗證了所建立的模型中懸沙模塊的準確性；通過模擬120。彎道和180。彎道內(nèi)的水流運動、懸沙運動、床沙運動和床面變形，驗證了所建立的模型中床面變形模塊的準確性。經(jīng)過詳細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和床面變形數(shù)值結(jié)果中的異同之后，認為三維k

5、-ε-Ap固液兩相雙流體湍流模型能夠更加準確地模擬彎道內(nèi)水流的橫向流速對泥沙橫向運動的影響。 在非正交曲線坐標系下的三維k-e-Ap固液兩相雙流體湍流模型的相關控制方程中添加植被阻力項或者植被誘發(fā)的湍動動能生成項，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，通過計算順直水槽中全部寬度內(nèi)布置淹沒或者非淹沒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、非淹沒的水生植被后水流的三維運動結(jié)構(gòu)驗證了模型中液相模塊的準確性：通過計算順直水槽內(nèi)布置淹沒的水生植被后的水流和懸沙的運動研究了植被對懸沙運動的影響；通過計算順直水槽內(nèi)局部區(qū)域布置水生植被后的水流泥沙運動和床面變形情況以及60。彎曲水槽內(nèi)局部區(qū)域布置非淹沒的水生植被后的水流泥沙運動和床面變形情況驗證了模型中床面變形模塊的準確性。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