论文摘要
本文以具有连续弯道的大柳树-沙坡头河段和地形复杂的鸭子荡水库为研究对象,基于RNGk-ε紊流数学模型,结合实测结果进行二维和三维数值模拟,对这两个典型研究对象进行了水流运动、泥沙输移、河床变形和水质对流扩散等问题的研究。首先,利用图像拼接算法、边缘检测算法结合CAD软件和Google Earth软件对水岸边缘进行精准检测,高效地获取研究区域经纬度信息,结合实测高程信息编程生成所需地形文件。其次,通过Bowyer-Watson算法对初始地形进行Delaunay三角化的网格剖分,构造不规则三角网模型TIN,由离散高程点生成不规则三角网,实现网格剖分后的三角形网格地形插值。再次,建立三维水沙水质数学模型和平面二维水沙水质数学模型,并将数学模型的控制方程通过瞬态项、对流项、扩散项和源项写成统一的通用形式。在此基础上,采用有限体积法中的五种格式对通用控制方程进行离散,使用基于非结构网格的SIMPLEC算法结合欠松弛技术对离散后的控制方程进行求解,利用GMES算法结合初始条件和边界条件实现离散方程组的求解。最后,对大柳树-沙坡头河段和鸭子荡水库进行了 RNG k-ε紊流数学模型的验证,对大柳树-沙坡头河段进行了四种工况的平面二维和三维水流运动、河床变形数值模拟,对鸭子荡水库进行了四种类型八种工况的平面二维水流运动数值模拟和三维水质对流扩散数值模拟。对实测的大柳树-沙坡头河段断面高程和断面泥沙粒径进行分析之后,将该河段的平面流场、断面流场、横向流速和河床变形的模拟值与实测值进行了对比,两者结果符合较好。结合实测资料,对该河段的水流运动、河床变形进行了数值模拟,得到该河段水流的流场、泥沙的运移和河床的变形会根据入口流量、悬移质含沙量、k值、ε值和出口水位的不同而产生变化。对实测的鸭子荡水库库底高程、水库等高线和水库三维地形进行分析之后,将该水库的水流流场和断面垂线平均流速的模拟值与实测值进行了对比,两者结果符合较好。结合实测资料,对该水库的水流运动进行了数值模拟,得到该水库中水流的流场和流速受进水量、取水量、风速和风向的支配。对实测的鸭子荡水库取水塔附近的七种水质指标进行采样和分析之后,将该水库中CODCr和TN浓度分布的模拟值与实测值进行了对比,两者结果符合较好。结合实测资料,对该水库的水质对流扩散进行了数值模拟,得到该水库中水质浓度的分布受进水量、取水量、风速和风向、水库中水质的初始浓度分布、入水口进水水质浓度的不同等因素的变化而改变。上述研究结果为研究类似连续弯道和类似水库的水沙运移规律和水环境治理提供了技术支撑和理论依据。
论文目录
摘要Abstract第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 1.2 国内外研究现状 1.2.1 概述 1.2.2 水流数学模型研究现状 1.2.3 泥沙数学模型研究现状 1.2.3.1 动床阻力 1.2.3.2 水流挟沙力 1.2.3.3 推移质输沙率 1.2.3.4 恢复饱和系数 1.2.3.5 泥沙扩散系数 1.2.4 水质数学模型研究现状 1.3 主要研究内容第二章 地形的前处理 2.1 图像拼接技术 2.1.1 SURF特征点检测 2.1.1.1 积分图像 2.1.1.2 Hessian矩阵 2.1.2 SURF特征描述 2.1.3 特征匹配 2.1.4 图像配准 2.1.5 图像融合 2.1.6 实验结果和分析 2.2 图像边缘检测 2.2.1 数学形态学基本运算 2.2.2 多尺度数学形态学的边缘检测 2.2.2.1 数学形态学的边缘检测 2.2.2.2 多尺度数学形态学的边缘检测 2.2.2.3 本文算法描述 2.2.3 实验结果和分析 2.3 DXF文件生成结果 2.4 KML文件生成结果 2.5 地形文件生成结果 2.6 小结第三章 网格剖分技术 3.1 网格的分类 3.2 Delaunay三角化法网格的生成 3.2.1 Delaunay三角化法的原理 3.2.2 Delaunay三角化法网格生成的算法 3.2.3 Delaunay三角化法网格的关键问题 3.2.4 Delaunay三角化法网格剖分的步骤 3.2.5 Delaunay三角化法网格剖分的实现 3.3 网格地形插值技术 3.3.1 地形数据的获取 3.3.2 基于散点的网格地形插值 3.3.3 基于数字高程模型的网格地形插值 3.4 小结第四章 水沙水质数学模型 4.1 三维水沙水质数学模型 4.1.1 水流运动方程 4.1.2 泥沙输移方程 4.1.3 水质变化方程 4.2 平面二维水沙水质数学模型 4.2.1 水流运动方程 4.2.2 泥沙输移方程 4.2.3 水质变化方程 4.3 控制方程的通用形式 4.3.1 三维水沙水质数学模型控制方程的通用形式 4.3.2 平面二维水沙水质数学模型控制方程的通用形式 4.4 小结第五章 控制方程的离散和求解 5.1 离散方法的概述 5.2 通用控制方程的离散 5.2.1 常用的离散格式 5.2.1.1 中心差分格式（Central Differencing Scheme,CDS） 5.2.1.2 一阶迎风格式（First Order Upwind Scheme,FUS） 5.2.1.3 混合格式（Hybrid Scheme,HS） 5.2.1.4 指数格式（Exponential Scheme,ES） 5.2.1.5 乘方格式（Power Law Scheme） 5.2.1.6 二阶迎风格式（Second Order Upwind Scheme,SUS） 5.2.1.7 QUICK格式 5.2.2 常用离散格式的性能对比 5.2.3 二维和三维通用控制方程的离散 5.2.3.1 二维和三维问题的控制体积 5.2.3.2 二维和三维问题的离散方程 5.3 离散方程的求解 5.3.1 流场数值计算的主要方法 5.3.2 基于同位网格的SIMPLE算法 5.3.2.1 交错网格和同位网格 5.3.2.2 动量方程的离散 5.3.2.3 速度修正方程 5.3.2.4 压力修正方程 5.3.2.5 欠松弛技术 5.3.2.6 同位网格上SIMPLE算法的计算步骤 5.3.3 基于非结构网格的SIMPLEC算法 5.3.3.1 SIMPLEC算法 5.3.3.2 通用控制方程在非结构网格上的离散 5.3.3.3 动量方程的离散 5.3.3.4 速度修正方程 5.3.3.5 压力修正方程 5.3.3.6 非机构网格上SIMPLEC算法的计算步骤 5.3.4 离散方程组的求解 5.3.5 定解条件 5.3.5.1 初始条件 5.3.5.2 边界条件 5.4 小结第六章 大柳树-沙坡头河段水沙运移数值模拟 6.1 大柳树-沙坡头河段实测数据分析 6.1.1 断面地形的分析 6.1.2 泥沙粒径的分析 6.2 大柳树-沙坡头河段平面二维水沙运移数值模拟 6.2.1 河段地形及网格划分 6.2.2 初始边界条件 6.2.3 模型的验证 6.2.3.1 水流运动数值模拟结果的验证 6.2.3.2 河床变形数值模拟结果的验证 6.2.4 模拟结果及分析 6.2.4.1 水流运动数值模拟 6.2.4.2 河床变形数值模拟 6.3 大柳树-沙坡头河段三维水沙运移数值模拟 6.3.1 河段地形及网格划分 6.3.2 初始边界条件 6.3.3 模型的验证 6.3.3.1 平面流场数值模拟结果的分析 6.3.3.2 断面流场数值模拟结果的验证 6.3.3.3 横向流速数值模拟结果的分析 6.3.3.4 输沙特性的分析 6.3.4 模拟结果及分析 6.3.4.1 水流运动数值模拟 6.3.4.2 河床变形分析 6.4 小结第七章 鸭子荡水库水流运动和水质对流扩散数值模拟 7.1 鸭子荡水库断面实测数据分析 7.2 鸭子荡水库平面二维水流运动数值模拟 7.2.1 水库地形及网格划分 7.2.2 初始边界条件 7.2.3 模型的验证 7.2.4 模拟结果及分析 7.2.4.1 类型1的模拟结果及分析 7.2.4.2 类型2的模拟结果及分析 7.2.4.3 类型3的模拟结果及分析 7.2.4.4 类型4的模拟结果及分析 7.3 鸭子荡水库水质实测数据分析 7.4 鸭子荡水库三维水质对流扩散数值模拟 7.4.1 水库地形及网格划分 7.4.2 初始边界条件 7.4.3 模型的验证 7.4.4 模拟结果及分析 7.4.4.1 类型1的模拟结果及分析 7.4.4.2 类型2的模拟结果及分析 7.4.4.3 类型3的模拟结果及分析 7.4.4.4 类型4的模拟结果及分析 7.5 小结第八章 结论和展望 8.1 结论 8.2 创新点 8.3 展望参考文猷致谢个人简介博士期间科研成果
文章来源
类型: 博士论文
作者: 黄凌霄
导师: 李春光
关键词: 数值模拟,水流运动,泥沙输移,河床变形,水质对流扩散
来源: 宁夏大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑
专业: 力学,地球物理学,环境科学与资源利用,水利水电工程
单位: 宁夏大学
分类号: X143;TV131.2
DOI: 10.27257/d.cnki.gnxhc.2019.000009
总页数: 180
文件大小: 18724K
下载量: 205
相关论文文献
标签：数值模拟论文; 水流运动论文; 泥沙输移论文; 河床变形论文; 水质对流扩散论文;
