河型转化机理及其数值模拟研究

论文摘要

河型转化过程机理研究不仅对河流动力学及河流工程学等学科的完善有重要理论意义,而且在大型水利工程运用后对下游河道演变的影响研究、以及防洪航运工程应采取的对策研究等方面也有着非常显著的实际意义。本文以改进的平面二维河流数学模型为主要研究手段,对边岸抗冲性较强和有洲滩演变的长江中游原型河道进行了实际计算,并对概化河道不同条件下的河势变化及河型转化进行了数值模拟,以分析与研究河型转化过程机理。通过在水流动量守恒方程中增加弥散应力项,考虑了弯道二次流的影响且对室内水槽实验结果进行了验证比较;提出了基于传统模型上的崩岸过程模拟技术;本模型能够模拟非均匀沙悬移质与推移质的输运过程,可以更可靠的模拟天然河道的演变趋势。对边界抗冲性较强的宜昌~枝城河段,进行了三峡枢纽运用后20年内冲淤变化的数值模拟。结果表明,该河段发生了明显的冲刷现象,但河势仍然比较稳定,不会发生河型转化。对上荆江的沙市~石首河段在三峡工程蓄水运用初期阶段(2006年~2012年)的河势变化进行了模拟预测。结果表明,该段河道普遍冲刷,洲滩变化显著,尤其以三八滩分汊段和石首河段河势变化最为剧烈,但在短期内和目前的水沙条件下,河型尚不会发生根本性的转化。通过概化河道河型转化的数值模拟,从河道平面形态、横断面变化、河床纵剖面,沿程水面线以及输沙率等方面分析不同初始比降,入口含沙量,流量和河岸抗冲性对河型转化的影响,成功模拟了不同条件下河型转化的过程。所得结果与已有的河型转化理论结果符合,且动力学依据更加完善。入口含沙量保持不变(清水)而增大γQJ(或减小河岸抗冲性、减小泥沙粒径),在概化河道下游最终形成的稳定河型属于分汊或江心洲型;若γQJ保持不变而入口含沙量增大到3.0kg/m3,在概化河道下游形成的稳定河型是游荡散乱型。实现了通过数学模型对河型转化机理的分析研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 河型研究综述
• 1.2.1 河型分类
• 1.2.2 河型成因
• 1.2.3 河型转化及其影响因素研究
• 1.2.4 水沙变化引发河型转化实例
• 1.3 河型变化物理试验研究
• 1.4 河型变化数值模拟研究
• 1.4.1 经验解析模型
• 1.4.2 二维数值模拟
• 1.4.3 三维数值模拟
• 1.5 主要内容及技术路线
• 1.5.1 主要内容
• 1.5.2 技术路线
• 第2章 平面二维河流数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 水流数学模型
• 2.2.1 水流控制方程
• 2.2.2 交错网格系统
• 2.2.3 辅助方程及特殊问题
• 2.2.4 定解条件
• 2.2.5 方程离散
• 2.2.6 代数方程组求解
• 2.3 水流模型验证
• 2.3.1 Rozovskii（1961）180°弯道水槽实验
• 2.3.2 Steffler（1984）270°弯道水槽实验
• 2.3.3 Wang bo（2008）连续弯道水槽实验
• 2.4 泥沙数学模型
• 2.4.1 泥沙运动方程
• 2.4.2 辅助方程
• 2.4.3 定解条件
• 2.4.4 方程离散
• 2.4.5 代数方程组求解
• 2.5 边岸崩塌模型
• 2.5.1 力学模拟基础
• 2.5.2 数值模拟技术
• 2.5.3 崩塌模拟步骤
• 2.6 本章小结
• 枝城河段数值模拟'>第3章 边岸抗冲性较强的宜昌^枝城河段数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 河段概况
• 3.3 控制方程
• 3.4 模型验证
• 3.4.1 计算区域
• 3.4.2 流速验证
• 3.4.3 计算条件
• 3.4.4 验证结果
• 3.5 对2003、2004 年宜枝河段冲刷及水位变化分析
• 3.6 模型预测
• 3.6.1 三峡水库运行初期20 年冲淤总量计算结果
• 3.6.2 三峡水库运行初期20 年级配变化计算结果
• 3.6.3 三峡水库运行初期20 年后宜昌站同流量水位变化计算结果
• 3.7 本章小结
• 石首河段数值模拟'>第4章 有洲滩演变的沙市^石首河段数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 河段概况
• 4.3 控制方程
• 4.4 模型验证
• 4.4.1 郝穴河段流速验证
• 4.4.2 沙石河段水位验证
• 4.4.3 沙石河段冲淤验证
• 4.5 模型预测
• 4.6 本章小结
• 第5章 概化河道河型转化数值模拟
• 5.1 概化河道基本情况
• 5.2 模型检验
• 5.3 河道初始比降的影响
• 5.3.1 最终均衡平面形态的不同
• 5.3.2 横断面变化过程
• 5.3.3 河床纵剖面变化
• 5.3.4 沿程水面线变化
• 5.3.5 沿程输沙率变化
• 5.4 含沙量的影响
• 5.4.1 平面形态变化
• 5.4.2 横断面变化过程
• 5.4.3 河床纵剖面变化
• 5.4.4 沿程水面线变化
• 5.4.5 沿程输沙率变化
• 5.5 流量的影响
• 5.5.1 平面形态变化
• 5.5.2 横断面变化过程
• 5.5.3 河床纵剖面变化
• 5.5.4 沿程水面线变化
• 5.5.5 沿程输沙率变化
• 5.6 河岸稳定性的影响
• 5.6.1 平面形态变化
• 5.6.2 横断面变化过程
• 5.6.3 河床纵剖面变化
• 5.6.4 沿程水面线变化
• 5.6.5 沿程输沙率变化
• 5.7 本文计算结果与已有河型理论的对比
• 5.8 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果