基于迎风型紧致格式的开闸式浊流在长直水槽中的数值模拟

作     者：王妲 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：游景皓

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 081502[工学-水力学及河流动力学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：低色散 CCD 高精度数值模拟 双组分浊流 开闸式浊流 

摘      要：本文将一般多相流的思想借鉴到含分散质多相流(本文指浊流)的模拟中,用改进的低色散的迎风紧致算法对长直水槽中的开闸式浊流进行三维数值模拟。首先,对泥沙输运方程中对流项的求解算法进行优化,构造了保色散的迎风结合紧致差分格式(Upwind Dispersion Relation Preserving Combined Compact Difference,UDRPCCD),同时,引入水平集合法的距离函数思想对多相流浓度界面进行平滑处理并用其描述浓度场。改进的迎风DRPCCD算法和其与水平集函数的结合使本文的多相流模型适用于大梯度流场的同时实现对方程中非线性对流项的高精度求解。之后,对改进的低色散算法进行数学分析,包括精度比较、色散性与耗散性比较、各向异性分析及稳定性分析。接下来,将本模型运用在平坡及不同尺寸障碍物存在下的平坡地形中,对浊流演变的外部特征(头部位置、浓度剖面与三维形态)及内部规律(能量转变与速度场)进行模拟和研究。数值结果表明,浊流在平坡上的头部速度呈现三段式趋势,经历加速、匀速和减速阶段,模拟结果与现有的研究理论及实验结果基本一致;泥沙的悬浮与沉降结果表明粗泥沙颗粒具有更快的沉降速度,三维结构图则进一步表明细泥沙颗粒的加入对整体浊流形态的决定性影响;能量方面,可以看到本模型较好的能量守恒性质,各能量分量(动能、势能、粘性损失和颗粒沉降损失)的变化趋势与Nasr-Azadani等的三维直接模拟的结果一致-最初势能快速转化为动能,泥沙沉降损失由初始大于粘性损失逐渐减小;同时,从数模结果中也可观察到出现在物模试验中的其它特性,如异重流头部高于临界点的结构特点,由以上结果验证了本浊流数值模型的合理性和可行性。最后,考虑到浊流通常出现的海底起伏地形,在平坡模型中加入了两种尺寸的高斯型障碍物并进行模拟,结果与Meiburg团队的研究一致,从而进一步验证了本模型在浊流问题上的适用性和可延展性。