基于CFD-DEM耦合模拟方法的水流泥沙运动研究

摘要

水流泥沙运动一直是河流与海岸工程关注的重点课题，前人采用实验研究和理论分析等方法对于水流泥沙宏观运动规律已形成了基本认识，但水流泥沙的细观运动机理还有待探索。随着近年来计算机技术及计算方法的快速发展，利用数值模型从细观尺度研究水流泥沙运动机理及规律成为可能。本文基于CFD-DEM耦合方法，利用开源软件OpenFOAM、LIGGGHTS及CFDEM耦合库建立数值模型，从细观尺度研究了静水中泥沙沉降、明渠流及振荡流作用下水流泥沙运动特性。本文主要研究内容和结果如下:
　　(1)通过模拟单个泥沙颗粒在静水中的沉降过程，分析了所建耦合模型的网格敏感性，对于粒径较小的颗粒，推荐流体的网格尺度与颗粒直径的比值范围为2～5;将采用不同拖曳力模型得到颗粒沉速与理论值对比，发现Benyahia模型具有较好的精度;模拟了不同直径泥沙颗粒的沉速，模拟结果与实验值与理论值吻合良好，验证了所建模型的适用性;探讨了不同体积浓度下颗粒沉速的分布，结果与实验值接近。
　　(2)模拟了不同明渠水动力条件下的水流泥沙运动过程。模拟得到的水流平均流速剖面符合对数律公式，验证了动力条件的正确性，并分析了水流紊动强度与雷诺切应力沿垂向的变化。模拟结果给出了泥沙表现为未起动、推移质输沙和推移质与悬移质共同输沙的运动形式，推移质输沙率与实验、理论值吻合;随着水动力的增强，床面泥沙分布的不均性呈现先增加后减小的规律。
　　(3)振荡水流作用下定床和动床条件下的模拟结果表明，定床和动床的流速剖面与紊动强度分布不同。在对称振荡流作用下，泥沙颗粒做规律的周期性运动，一个周期内的泥沙净输沙接近为零，半周期平均输沙率与已有实验及经验公式接近。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 泥沙沉降研究

1．2．2 明渠水流泥沙研究

1．2．3 振荡水流泥沙研究

1．3 耦合模型的发展及应用

1．4 本文主要研究内容

第二章 CFD-DEM耦合模型原理

2．1 计算流体动力学原理

2．1．1 计算流体动力学的发展

2．1．2 大涡模拟(LES)原理及亚格子(SGS)模型

2．1．3 数值离散方法

2．2 离散单元法原理

2．2．1 离散单元运动控制方程及接触判断

2．2．2 接触模型

2．2．3 计算时间步长

2．3 CFD-DEM耦合模型原理

2．3．1 耦合模型的流体控制方程

2．3．2 耦合中交换动量的计算及传递方法

2．3．3 流体对颗粒的作用力模型

2．4 CFD-DEM耦合软件简介

2．4．1 CFDEM耦合软件

2．4．2 CFDEM耦合步骤

2．5 本章小结

第三章 颗粒沉降模拟验证

3．1 网格敏感性分析

3．1．1 计算区域及参数设置

3．1．2 模拟结果分析

3．2 不同拖曳力模型对比

3．3 不同粒径单颗粒沉速模拟验证

3．4 颗粒群体沉降模拟

3．4．1 颗粒速度分布

3．4．2 颗粒群体沉速验证

3．5 本章小结

第四章 明渠水流泥沙运动模拟研究

4．1 模型设置

4．1．1 计算区域及模拟参数

4．1．2 算例设计及模型初边值

4．2 流体运动分析

4．2．1 定床紊流分析

4．2．2 流速剖面验证

4．2．3 紊动强度分析

4．2．4 雷诺应力分布

4．3 泥沙运动分析

4．3．1 三种泥沙运动形态分析

4．3．2 泥沙浓度分析

4．3．3 推移质输沙率验证

4．3．4 床面高度分布

4．4 本章小结

第五章 振荡水流泥沙运动模拟研究

5．1 模型设置

5．2 光滑床面验证

5．3 流体动力特性对比分析

5．3．1 平均流速剖面

5．3．2 等效粗糙高度与摩阻流速

5．3．3 紊动强度分析

5．4 动床泥沙运动特性分析

5．4．1 泥沙的运动形态

5．4．2 半周期平均输沙率

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本文主要结论

6．2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢