平面二维水水沙运动与船舶运动的数值模拟研究及其应用

摘要

在水利工程、港航工程的规划设计过程中，往往需要对工程与河流、航运的相互影响进行定量的预测研究，而预测结果的正确与否，关系到工程的决策乃至工程的成败。目前的预测研究方法主要包括实测资料分析、数值模拟和实体模型试验等。实测资料分析主要是基于实际观测资料进行分析，但它只能结合工程兴建对这种相互影响做出定性的结论。而实体模型试验及船模试验在80年代以前几乎是对这种相互影响做出定量预测的唯一途径，需要耗费大量的人力和物力，且试验周期长。随着数值模拟技术近年来的迅速发展，水沙数值模拟及船舶运动模拟已经成为定量分析的一种主要技术手段，它具有省时、省力，耗费少及灵活方便等优点。
　　 本文在回顾已有的有关研究成果基础上，根据流体力学、河流动力学及船舶运动学理论，建立了基于有限元方法的平面二维水流泥沙模型及船舶运动数学模型，开发了相应的计算程序，并应用这两个模型对(三峡至葛洲坝)两坝间通航标准，重庆果园港区水沙条件及河床演变以及重庆华能电厂取水口取水条件进行了研究，解决了相关的技术问题，并为这些工程的实施提供了科学依据及技术支撑。
　　 全文共分7章。
　　 第一章系统地介绍了水沙数值模拟及船舶运动数值模拟的发展状况，并指出水流泥沙模型中一些关键理论和技术问题尚未得到很好的解决，在今后相当长的时间内必须加强水沙运动基本理论的研究，推动水沙数学模型的进一步发展。在船舶运动模拟方面则需解决浅水下水动力系数计算模式及方法问题，并与虚拟现实等现代技术相结合，使其更符合实际情况。
　　 第二章介绍了水沙数学模型采用的基本方程及有限元离散方法，对水沙数学模型中挟沙力计算公式选取、河道糙率选取与处理方法进行了分析，并在此基础上建立了二维水沙数学模型。
　　 第三章对船舶运动数值模拟的基本方程及离散方法进行了研究，介绍了其中几个关键的水动力系数计算模式，并在此基础上构建了船舶运动数值模拟的计算程式，并利用2640HP+4×1000T船队实船试验资料对模型的计算结果进行验证分析，取得了较好的结果。
　　 第四章利用第二章中建立的水流模型对三峡围堰施工期三峡至葛洲坝两坝间主要滩险的水流条件进行计算分析，并在此基础上利用第三章的船舶运动数学模型，对6种代表船型的过滩能力进行了数值模拟分析，确定了各代表船型通过两坝间河段的限制流量，并在三峡围堰旌工期两坝间的通航标准中得到采用。
　　 第五章利用第二章建立的水沙数学模型首先对重庆果园港区修建前后的水流条件变化进行了研究，明确了果园二期修建在一般情况下对水流条件影响较小，但在洪水及大洪水时，会导致港区下游明月峡流速明显增加，对船舶上行有一定影响；在此基础上，考虑三峡水库调度运行，进行了20年的长系列泥沙冲淤模拟计算，结果表明果园港区码头前沿线位于泥沙淤积体以外，泥沙对港区正常运行影响较小，所得成果在果园二期和二期扩建工程的码头前沿线选择、施工方案制定中得到了应用。
　　 第六章利用水沙数学模型，对嘉陵江水土河段华能电厂取水口的位置选择、取水条件及泥沙淤积影响进行了研究，结果表明推荐的取水口位置选择合理，不存在泥沙累积性淤积情况，取水水流条件较好，为该工程设计提供了技术支撑。
　　 第七章对以上研究工作进行了简要的总结，并展望了水沙数值模拟技术及船舶运动模拟技术的发展。

目录

文摘

英文文摘

1 引言

1.1 水沙数值模拟历史和现状

1.1.1 水沙数值模拟技术的历史和现状

1.1.2 水沙数值模拟存在问题与发展趋势

1.2 船舶运动数值模拟的研究现状及趋势

1.2.1 船舶运动数值模拟的研究现状

1.2.2 船舶运动数值模拟发展趋势

1.3 本文研究的目的和研究内容

1.3.1 本文研究的目的

1.3.2 本文研究的主要内容

2 水沙运动基本方程及求解方法

2.1 概述

2.2 水流运动方程

2.3 泥沙运动基本方程

2.3.1 连续性方程

2.3.2 河床变形方程

2.3.3 辅助方程

2.4 水流泥沙方程的求解

2.4.1 水流方程的离散

2.4.2 离散方程的数值求解

2.4.3 泥沙运动方程的离散与求解

2.5 求解条件

2.5.1 初始条件

2.5.2 边界条件

2.5.3 转折角边界

2.6 其它重要问题

2.6.1 挟沙力公式

2.6.2 糙率问题

2.7 本章小结

3 船舶运动基本方程及求解方法

3.1 概述

3.2 船舶运动方程

3.3 船舶受力计算公式

3.4 船舶运动方程的求解

3.5 船舶模型的实例计算

3.6 本章小结

4 船舶数模在两坝间河段通航标准研究的应用

4.1 问题提出

4.2 水流数学模型的验证计算

4.3 船舶航行数学模型的验证

4.3.1 代表船型、船队及其资料

4.3.2 验证资料与船模验证

4.4 水流条件计算分析

4.5 船舶航行的计算及通航标准确定

4.5.1 1200kw+4×800T船队：

4.5.2 2000T散货船：

4.5.3 486KW+3×500T船队：

4.5.4 210TEU集装箱船

4.5.5 1500吨和700吨自航船

4.5.6 船队下行

4.6 本章小结

5 水沙数模在果园港区建设中的应用

5.1 问题提出

5.2 工程河段水沙特性及演变特点

5.2.1 河道概况与水沙特性

5.2.2 水文、泥沙特性

5.3 工程河段河床演变

5.3.1 河道概况

5.3.2 深泓线及洲滩变化变化

5.3.3 横断面地形变化比较

5.3.4 小结

5.4 数学模型的建立及验证

5.4.1 计算范围及网格划分

5.4.2 模型验证

5.5 水流条件变化计算分析

5.5.1 计算条件

5.5.2 工程前后水流条件分析

5.6 泥沙淤积计算

5.6.1 计算水沙系列

5.6.2 港池泥沙淤积计算分析

5.7 本章小结

6 在取水口设置中的应用

6.1 背景及概况

6.2 工程河段水文泥沙特性

6.2.1 水文特性

6.2.2 工程河段水位流量关系

6.2.3 支沟洪水

6.2.4 泥沙特性

6.3 取水口设计方案

6.3.1 水源及取水口位置

6.3.2 取水工程规模

6.3.3 取水头部设计

6.4 工程河段河床演变

6.4.1 河道概况

6.4.2 工程河段河道历史演变分析

6.5 数学模型的验证

6.5.1 计算范围

6.5.2 验证资料

6.5.3 水位验证

6.5.4 流速验证

6.5.5 淤积验证

6.6 水流条件模拟分析

6.6.1 计算边界条件

6.6.2 工程区水流条件分析

6.6.3 小结

6.7 泥沙淤积计算成果分析

6.7.1 计算水沙系列

6.7.2 淤积量

6.7.3 淤积部位

6.7.4 取水口位置泥沙淤积情况

6.7.5 取水口含沙量与进口含沙量相关分析

6.7.6 漂浮物的影响计算分析

6.8 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附 录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读学位期间取得的科研成果目录