基于离散元方法与水动力学耦合的河冰动力学模型

作     者：翟必垚 刘璐 张宝森 沈洪道 季顺迎 ZHAI Biyao;LIU Lu;ZHANG Baosen;SHEN Hung Tao;JI Shunying

作者机构：大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室辽宁大连116024 黄河水利委员会黄河水利科学研究院河南郑州450003 美国Clarkson大学土木与环境工程系波兹坦纽约13699-5710 

出 版 物：《水利学报》 (Journal of Hydraulic Engineering)

年 卷 期：2020年第51卷第5期

页      面：617-630页

核心收录：

学科分类：0710[理学-生物学] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0815[工学-水利工程] 0802[工学-机械工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 080102[工学-固体力学] 

基　　金：国家重点研发计划项目(2018YFC1508402-2) 国家自然科学基金项目(51639004,51679102,51979024) 

主　　题：离散元方法 扩展多面体单元 河流水动力学 河冰动力学 冰坝 

摘      要：流凌和冰坝是我国北方冬季比较常见的河冰现象,尤其冰坝,可导致严重的凌洪灾害,是河冰研究中的重要部分。本文将离散单元方法与二维水动力学相耦合,建立河冰的动力学数值模型,以模拟河冰输移、聚集、堆积,以及冰坝形成的动力过程。针对河道中大量密集且几何形状随机的流冰现象,采用扩展多面体单元对冰块进行构造,并通过离散元接触模型表征河冰输移和冰坝形成过程中冰块间的相互作用。河流水动力部分则采用考虑河冰影响的二维非定常浅水方程进行描述,并采用有限元方法进行数值计算。冰水耦合中的计算参数由河冰离散单元与其所在水动力学有限元网格节点的位置插值计算得到。通过对冰盖封河造成水位抬高过程的数值模拟,并将计算结果与理论分析结果以及DynaRICE河冰模型的模拟结果进行对比,以验证模型的有效性。在此基础上,对规则河道中河冰输移、堆积和形成冰坝的过程进行数值模拟和结果分析。通过以上河冰离散元与水动力学的耦合方法及其对河冰动力过程的数值模拟,对河冰动力过程从细观角度进行新的认识并为河冰动力过程研究提供一种有效的数值方法。