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《沙質(zhì)床面局部沖刷的大渦數(shù)值模擬研究》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、沙質(zhì)床面局部沖刷的大渦數(shù)值模擬研究LargeEddySimulationofLocalScouratSand-Bed學(xué)科專業(yè)：水利工程研究生：王迪指導(dǎo)教師：許棟副教授天津大學(xué)建筑工程學(xué)院二零一七年十一月摘要隨著各類水利工程的大量建設(shè)，管線和樁柱等結(jié)構(gòu)物被布置于河流、海洋、湖泊等水體之中。當(dāng)結(jié)構(gòu)物附近由于流場的強(qiáng)烈變化而發(fā)生局部沖刷時(shí)，會對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成巨大影響，有危害結(jié)構(gòu)物安全的可能。而結(jié)構(gòu)物附近的流場具有明顯的三維湍流結(jié)構(gòu)，其計(jì)算對數(shù)值方法有較高的要求。相對于其他方法，大渦數(shù)值模擬兼具可以準(zhǔn)確的模擬湍流
2、結(jié)構(gòu)和節(jié)約計(jì)算資源的優(yōu)點(diǎn)。本文以大渦數(shù)值模擬為基礎(chǔ)建立了三維水流泥沙和床面變形數(shù)學(xué)模型，并對沙質(zhì)床面上管線局部沖刷和樁柱局部沖刷這兩個(gè)經(jīng)典局部沖刷問題進(jìn)行了模擬，主要工作與成果如下：采用Smagrinsky亞格子湍流模型，以Exner床面方程為基礎(chǔ)建立床面變形模型，以浸入邊界法處理復(fù)雜邊界與動邊界問題，建立了只考慮推移質(zhì)輸沙的適用于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的三維水流泥沙數(shù)學(xué)模型。其中，在床面變形模型的滑坡模塊中，提出了新的處理泥沙滑坡的手段，使滑坡處理后的床面更加接近真實(shí)形態(tài)。為驗(yàn)證模型的可信性，對波狀剛性床面剪切力進(jìn)行
3、了驗(yàn)證，結(jié)果吻合良好。將模型應(yīng)用于雷諾數(shù)為2900的管線局部沖刷數(shù)值模擬，最大沖刷深度模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比較為合理。并確定了在三維水流泥沙數(shù)值模擬中Meyer-Peter推移質(zhì)輸沙公式可以更準(zhǔn)確地計(jì)算最大沖刷深度。模型對于管線繞流的流場形態(tài)描述準(zhǔn)確，管線下游有明顯的尾渦并存在渦街。在此基礎(chǔ)上，通過對于管線局部沖刷發(fā)展過程中不同時(shí)刻的床面形態(tài)、希爾茲數(shù)和流場的綜合分析，將管線沖刷分為三個(gè)階段：沖刷前期、沖刷中后期和沖刷平衡期，并對每個(gè)階段的特征進(jìn)行了總結(jié)。將模型應(yīng)用于雷諾數(shù)為1500的樁柱局部沖刷數(shù)值模擬，
4、利用經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)公式對最大沖刷深度進(jìn)行了驗(yàn)證，并將模擬所得床面形態(tài)與前人試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，證明了模擬結(jié)果的合理性。最后通過對流場、推移質(zhì)輸沙率和床面形態(tài)的綜合分析，解釋了樁柱局部沖刷的形成和發(fā)展機(jī)理。其中，對于馬蹄渦和尾渦的正確模擬是得到合理的沖刷過程和沖刷坑形態(tài)的關(guān)鍵。關(guān)鍵詞：大渦模擬，浸入邊界法，推移質(zhì)輸沙，床面變形，局部沖刷IIIABSTRACTWiththerapiddevelopmentofwaterconservancyproject,alargenumberofunderwaterstructu
5、reslikepipelinesandpiersarearrangedinrivers,oceans,lakesandotherwaterbodies.Whenlocalsouroccursnearthestructureduetothestrongchangeofflowfield,itwillhaveagreatimpactonthestabilityofthestructure,evenendangerthesafetyofthestructure.Theflowfieldnearthestructu
6、rehasstrongthree-dimensionalturbulentstructures,anditscalculationhasahighrequirementforthesimulationmethod.Comparedwithothermethods,largeeddysimulationhastheadvantagesofaccuratesimulationofturbulentstructureandsavingcomputingresources.Inthispaper,basedonla
7、rgeeddysimulation,athree-dimensionalnumericalmodelofflow,sedimentandbeddeformationisestablished,andtwoclassicalscourproblem,localscouraroundpipelinesandpiers,isstudied.Themainworkandresultsareasfollows:ApplyingtheSmagorinskysubgridturbulencemodel,buildingt
8、hebeddeformationmodelbasedontheExnerequation,andusingtheimmersedboundarymethodtodealwiththecomplexboundaryandmovingboundaryproblem,athree-dimensionalflowandsedimentnumericalmodelsuitableforstructuredgridisdev
