水沙輸移過程的精細模擬

《水沙輸移過程的精細模擬》是依託清華大學，由何國建擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：水沙輸移過程的精細模擬
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：何國建
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

泥沙運動與水流的紊動現象有密切的關係,尤其在床面附近，水流脈動流速引起的掃掠和猝發是泥沙顆粒起動的重要影響因素。但由於條件限制，目前大部分的研究工作一般都以床面平均剪下應力或水流的雷諾平均流速作為泥沙起動及輸運的水動力因素來建立泥沙運動方程的底邊界條件。針對泥沙運動與水流脈動密切相關的特點、大渦模擬技術的發展水平以及發展前景，本研究擬構建基於大渦模擬技術的時空平均紊流模型平台，實現水流底部脈動流速的模擬；在原有實驗基礎上，對床面鋪設規則和非規則泥沙顆粒後水流脈動流速變化進行觀測，分析流速變化與顆粒起動的關係，並利用試驗數據對構建的紊流模型進行率定驗證；利用構建的數值模擬平台模擬計算模擬計算在床面存在泥沙顆粒條件下表面水流脈動流速分布規律，分析泥沙濃度脈動值對泥沙擴散係數等泥沙運動參量的影響，模化泥沙輸移計算中的關鍵參數，推動水沙輸移過程精細模擬技術的發展。

結題摘要

水流脈動流速對水沙輸移有著重要的影響，但由於條件限制，目前大部分的研究工作一般都建立在雷諾平均應力模型基礎上。由於大渦模擬自身的優勢，三維大渦模型不僅能夠反映時均的流速分布，紊動強度分布，還可以捕捉到流動中的紊動猝發，條帶結構等擬序結構，反映渦體的發展變化和輸運過程，從而可實現對水沙輸移進行精細模擬。 因此本基金項目根據任務書要求，首先建立了基於大渦模擬技術的時空紊流模型平台，該模型以無量綱化的N-S方程為基礎，雷諾數Re為主要影響參數，採用亞格子應力模型對水流的瞬時流動進行模擬。在求解方法上，採用結構格線的有限體積法進行離散，在壁面處理上，採用無滑移條件，在壁面附近第一個格線建立瞬時切應力和瞬時流速的關係。 根據建立的大渦模擬模型，利用彎道環流、丁壩擾流，從水面線變化、環流分布以及流速的垂向變化等方面對模型進行了驗證。結果表明，本項目建立的紊流模型模擬平台，模擬計算值與實測值符合較好，能夠較好的反映複雜條件下的水動力情況。 在實現水動力精確模擬的基礎上，對構建的模型平台進行測試，加入河床粗糙度計算模組、泥沙輸移模組，利用經典淨沖淤實驗數據，從泥沙濃度的三維分布對泥沙模組進行測試，結果表明，基於大渦模擬方法的水沙輸移精細模擬模型能夠很好的揭示泥沙濃度的沿程變化，不同斷面的泥沙濃度垂向分布曲線與實測值均溫和較好。 將此模擬模型進一步套用到複雜地形中，利用規則小球的不同排列，模擬了河床底部泥沙顆粒間水流的脈動分布，分析了不同排列的小球流速分布及其對物質輸移的影響。 最後，對模型中某些關鍵參數的選取進行了室內試驗，主要有水沙輸移中泥沙沉降速度和起動流速的試驗研究，得出泥沙顆粒受水體污染後物理特性的變化，及其對輸移的影響。 利用本基金項目共發表論文7篇，其中SCI收錄4篇，EI收錄1篇，國際會議論文2篇，培養博士研究生2名。