淺水間斷問題的水流泥沙及污染物輸運(yùn)數(shù)值模擬.pdf

1、淺水間斷流動(dòng)如水躍、涌潮、潰壩波、波浪變形等的數(shù)值研究，因其具有廣泛的工程應(yīng)用背景，引起了許多學(xué)者的研究興趣。然而，自然界的水流運(yùn)動(dòng)過程往往不是孤立的，常伴隨有泥沙輸移、污染物遷移轉(zhuǎn)化等物理、化學(xué)和生物過程。其中，潰壩洪水及其誘發(fā)的河床泥沙運(yùn)動(dòng)，給下游人民造成重大的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，研究動(dòng)床條件下平面二維潰壩水沙輸移的數(shù)值模擬，在預(yù)測(cè)堤壩潰決引起的下游受災(zāi)情況和評(píng)估潰壩風(fēng)險(xiǎn)控制等方面具有重要的實(shí)際意義。另一方面，隨著環(huán)境污染日趨加重，

2、水環(huán)境問題得到越來越多的關(guān)注。要實(shí)現(xiàn)對(duì)污染水體的治理，了解水體的水動(dòng)力特征，進(jìn)一步掌握污染物的輸運(yùn)機(jī)理十分必要。
　　本文首先基于有限體積法和非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格建立平面二維淺水?dāng)?shù)學(xué)模型，將模型主要運(yùn)用于帶有強(qiáng)間斷的潰壩洪水模擬以及具有復(fù)雜地形的海灣潮汐模擬。模型應(yīng)用二階精度的Roe格式近似Riemann解計(jì)算網(wǎng)格界面的動(dòng)量通量，將靜水壓力項(xiàng)作為源項(xiàng)反映在動(dòng)量方程中，采用高效的干濕處理技術(shù)解決干濕界面的動(dòng)邊界問題。應(yīng)用模型對(duì)6個(gè)典型潰

3、壩和3個(gè)海灣潮流算例進(jìn)行模擬，實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好，展示了本模型強(qiáng)大的適應(yīng)能力和較高的計(jì)算精度，說明模型能夠用于工程實(shí)踐中?；谝陨纤畡?dòng)力模型，考慮平面二維淺水控制方程、泥沙輸移方程以及河床變形方程本文建立了平面二維水沙耦合數(shù)學(xué)模型。其中，淺水控制方程中的連續(xù)方程和水動(dòng)力方程均采用渾水方程，泥沙連續(xù)方程中泥沙對(duì)流通量采用迎風(fēng)格式計(jì)算。模型同時(shí)考慮了植被對(duì)水流、泥沙輸移及床面沖淤變化的影響。應(yīng)用模型對(duì)5個(gè)算例進(jìn)行模擬，并結(jié)合實(shí)測(cè)資料對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果

4、進(jìn)行了驗(yàn)證分析。計(jì)算結(jié)果表明：在模擬動(dòng)床條件下潰壩水流的演進(jìn)及床面變形等問題上，本文建立的平面二維水沙耦合數(shù)學(xué)模型具有較高的精確度，同時(shí)有較好的復(fù)雜地形處理能力。從動(dòng)床條件下有植物作用的潰壩水流數(shù)值模擬這一算例中可以發(fā)現(xiàn)，由于灘地植物的存在，植被區(qū)的水流流速和潰壩波對(duì)下游河床的沖刷影響將減少，但同時(shí)植被區(qū)河道的泄洪能力也會(huì)有所降低，導(dǎo)致洪水在上游區(qū)水位提升。基于水動(dòng)力模型，耦合二維淺水控制方程和物質(zhì)輸運(yùn)方程，建立平面二維水動(dòng)力、水質(zhì)顯格

5、式數(shù)學(xué)模型。模型運(yùn)用高階精度的迎風(fēng)重構(gòu)插值技術(shù)處理網(wǎng)格界面的污染物輸運(yùn)通量，擴(kuò)散項(xiàng)采用二階精度的離散方法處理。首先模擬理想條件下旋轉(zhuǎn)流場中純對(duì)流問題以及純擴(kuò)散問題，以驗(yàn)證本模型水質(zhì)模塊的計(jì)算精度。然后應(yīng)用本模型模擬法國 Gironde海灣鹽度分布，以驗(yàn)證在真實(shí)地形條件下模型的計(jì)算能力。最后應(yīng)用本模型對(duì)莊河海域附近排放的污染物的輸運(yùn)過程進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。數(shù)值結(jié)果表明，在研究水力特性以及預(yù)測(cè)沿海水域污染物輸運(yùn)過程方面，本文所使用的模型是成功的