层化水体中泥沙异重流沿不同底坡运动的动力学特性研究

论文摘要

异重流是指两种或两种以上比重相差不大的流体互相接触时,因为密度差异而产生的流动,它在水库、湖泊、河口、海洋等自然环境和工程实际中都较为常见。但水体层化、坡度、泥沙沉降等因素对异重流运动演变、水体掺混、能量变化等特性的影响机制,目前仍不完善。本文通过采用水槽实验、理论分析、数值模拟等方法,对开闸式异重流在层化和非层化水体环境中沿不同角度斜坡的运动过程进行了深入系统研究,详细探讨了水体层化、坡度和泥沙沉降速度等不同条件下,异重流头部位置、头部速度、湍流结构、界面卷吸系数、能量转换、以及长距离泥沙输移等动力学特性,揭示了其内在动力学机制和影响机理。论文的主要成果及结论如下:（1）通过PIV水槽实验结合理论分析揭示了斜坡异重流在层化水体中的运动特性,阐明了层化对异重流运动的抑制作用。当相对层结度大于1时,层化水体会使得异重流沿斜坡的运动分为加速阶段、减速阶段、离开斜坡水平入侵三个阶段,解释了层化环境对交界面湍流和涡度的抑制效应;理论推导了斜坡异重流在线性层化水体中运动的头部位置和速度公式;修正了描述异重流在均匀水体和层化水体中的剖面速度分布公式;建立了线性层化水体中异重流沿斜坡分离的深度公式。（2）基于直接数值模拟和双组分物质输移模型,建立了泥沙和盐水异重流在不同水体环境中运动的高精度数值模型。通过求解Heaviside函数并结合Level-set 方法有效解决了不同组分初始交界面的浓度急剧变化造成的数值震荡问题,采用三阶QUICK格式和六阶迎风紧致差分格式对控制方程进行了离散求解,使用浸入边界法处理复杂地形;模型能准确捕捉异重流运动过程中交界面的复杂湍流结构以及泥沙和盐分浓度的时空变化信息。（3）基于直接数值模拟阐明了泥沙异重流在均匀水体中沿斜坡的动力学特性及其影响机制。在异重流运动的初始的快速加速阶段和最后的减速阶段之间,头部速度由坡度决定,随着坡度从0开始逐渐增大,头部速度会经历从略微减小到准定常再到逐渐增大的过程,这一临界角度约为10°。提出了“动态参考面”概念来描述异重流运动的能量变化,运动过程中动能所占总能量的比例先迅速增大,而后基本保持不变,最后减小,而势能所占比例持续减小,且在初始阶段势能减小速率最大;异重流和环境水体之间的整体卷吸系数与瞬时卷吸系数的最大值都出现在初始阶段,坡度对整体卷吸系数的影响呈现非线性关系;不同泥沙沉降速度对卷吸系数没有明显影响。（4）基于直接数值模拟阐明了泥沙异重流在线性层化水体中运动的动力学特性和影响机理。由于较小的驱动力导致较弱的交界面速度剪切,水体层化会抑制交界面的开尔文-亥姆霍兹不稳定性和湍流结构的发展;由于颗粒沉降使得异重流迅速丢失质量和能量,泥沙异重流沿平坡运动时在准定常状态的运动距离不会超过十倍闸长;层化水体会抑制无颗粒异重流与周围环境间的水体卷吸系数;对于泥沙异重流,由于层化的抑制效应同时被泥沙沉降造成的较弱密度交界面对水体掺混的促进效应所抵消,泥沙异重流沿平坡运动的卷吸系数不随水体层化的强弱而改变;异重流运动时从势能到动能的转化会被层化水体所抑制,从动能到能量的耗散会被泥沙沉降所促进;异重流在线性层化水体中沿斜坡运动的加速阶段,坡度、泥沙沉降和水体层化对头部速度影响不明显;进入减速阶段后,坡度越大,水体层化越弱,泥沙沉降速度越小,异重流头部速度就越大;通过考虑泥沙沉降和水体掺混引起的异重流密度变化,数值模拟准确地预测了层化水体中异重流沿斜坡运动到达中性层位置时从斜坡分离的现象和分离深度;水平入侵带的出现会明显加大分离阶段前后的水体掺混效应。（5）提出了新的机制来解释河口泥沙异重流长距离输移现象。基于直接数值模拟证明了由于环境水体中海水盐分的有效扩散速率比异重流中泥沙的有效扩散速率大,使得泥沙异重流的间隙流逐渐由淡水转换为盐水,同时不会使泥沙浓度被明显稀释,从而可以增大异重流密度并维持泥沙颗粒的悬浮状态,使异重流能运动更长距离。

论文目录

致谢

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 现场观测

1.2.2 水槽实验

1.2.3 数值模拟

1.2.4 现有研究的不足

1.3 本文研究工作

1.3.1 拟解决的科学问题

1.3.2 主要研究内容

1.4 本文组织结构

2 异重流在层化水体环境中沿斜坡运动的实验研究

2.1 实验装置与步骤

2.2 实验参数

2.3 实验结果

2.3.1 异重流运动实验现象

2.3.2 PIV流场结果

2.4 头部速度

2.4.1 线性层化环境中异重流加速阶段运动公式

2.4.2 线性层化环境中异重流减速阶段运动公式

2.4.3 速度公式验证

2.4.4 讨论

2.5 剖面速度分布

2.6 分离深度

2.7 本章小结

3 泥沙异重流运动的直接数值模拟模型

3.1 控制方程

3.2 边界条件

3.3 数值方法

3.3.1 浓度交界面平滑

3.3.2 对流-扩散方程的离散

3.3.3 N-S方程的离散

3.3.4 浸入边界法

3.3.5 控制方程求解过程

3.4 重要参数的定义

3.4.1 头部位置和速度

3.4.2 能量变化

3.4.3 卷吸系数

3.5 本章小结

4 泥沙异重流在均匀水体中沿斜坡运动的数值模拟研究

4.1 问题描述

4.2 模拟工况设置

4.3 模型验证

4.3.1 头部位置对比

4.3.2 泥沙沉降对比

4.3.3 二维模拟结果和三维模拟结果对比

4.4 泥沙异重流运动过程

4.5 能量变化

4.5.1 动态参考面

4.5.2 坡度对能量变化的影响

4.5.3 泥沙沉降速度对能量变化的影响

4.6 头部速度

4.6.1 泥沙沉降速度对异重流头部速度的影响

4.6.2 坡度对异重流头部速度的影响

4.7 卷吸系数

4.7.1 坡度对卷吸系数的影响

4.7.2 泥沙沉降速度对卷吸系数的影响

4.8 本章小结

5 泥沙异重流在层化水体中运动的数值模拟研究

5.1 泥沙异重流在层化水体中沿平坡运动的数值模拟研究

5.1.1 问题描述与工况设置

5.1.2 模型验证

5.1.3 泥沙异重流运动过程

5.1.4 头部速度

5.1.5 卷吸系数

5.1.6 能量变化

5.2 泥沙异重流在层化水体中沿斜坡运动的数值模拟研究

5.2.1 问题描述与工况设置

5.2.2 模型验证

5.2.3 泥沙异重流运动过程

5.2.4 头部速度和分离深度

5.2.5 卷吸系数

5.2.6 能量变化

5.3 本章小结

6 河口泥沙异重流长距离输移机理的数值模拟研究

6.1 模拟设置和参数定义

6.2 转化过程机理分析

6.3 转换时间和距离

6.4 讨论

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

作者简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 赵亮

导师: 贺治国,林颖典,胡鹏

关键词: 异重流,直接数值模拟,层化,头部速度,湍流,能量变化,卷吸系数

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 浙江大学

基金: 国家重点研发计划(2017YFC0405502),国家自然科学基金委基金项目(11672267),国家留学基金委公派留学奖学金

分类号: TV142

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000182

总页数: 173

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