济南市腊山分洪工程水动力特性试验及数值模拟研究

摘要

腊山分洪工程是小清河干流治理的关键工程和济南市城市防洪体系建设的重要内容,实施腊山分洪是小清河干流济南段达到百年一遇防洪标准的必要条件。本文针对济南市腊山分洪工程建设中的实际问题,构建济南腊山分洪工程物理模型,建立一维和二维水动力特性数值模型,对倒虹吸的水流特性进行了三维数值模拟。通过物理模型和数值模拟等两种方法相结合的研究手段,研究不同频率洪水下腊山分洪工程的分洪流量、水位和局部水流流态及建筑物的过水能力等。主要研究内容如下:
　　(1)腊山分洪道水工模型试验研究。根据相似理论构建腊山分洪道的物理试验模型,腊山分洪物理模型属于定床变态模型,模型试验包括模型设计、模型加糙试验、模型率定有关参数的选取值、试验方案、试验结果分析与评价,通过物理模型观测不同工况下河道的水位、流量及水流流态等。
　　(2)腊山分洪道水动力特性数值模拟。应用MIKE11水动力学模块建立了腊山分洪道一维河网水动力模型,进行了两种工况下分洪道各个断面、各个时刻的水位和流量等基本水文要素的计算,计算结果与试验测量结果进行对比分析,所得数值曲线除在倒虹吸处有一定的水位落差外拟合较好。
　　(3)应用MIKE21水动力学模块对不同设计标准下的分洪道进行了平面二维河道洪水演进模拟,得到了分洪道的流场、等深线等一些可视化的结果,通过流场分析,在大涧沟入流处的断面设计能够使分洪道水流和大涧沟水流比较平顺融合,行洪过程中水流趋于稳定状态。而在京福高速桥处由于河道断面的突然收缩造成流场分布的不均匀,对两岸造成严重的冲刷,所以应考虑对此段两岸进行适当的防护。
　　(4)在物理模型试验中不能直接观测倒虹吸处的过流情况,通过采用流体动力学软件Fluent对倒虹吸的水流进行了模拟,得到了倒虹吸的泄流能力、水面线及流速分布等水力特性的相关数据,以便能更直观的反应建筑物内的流场分布和水流流态。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 水流数值模型的研究现状

1.2.2 河工模型试验的研究现状

1.3 研究目标与主要研究内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.4 研究技术路线

2 水动力数值模拟的理论与方法

2.1 一维水动力学原理

2.1.1 MIKE11连续方程

2.1.2 MIKE11动量方程

2.2 二维水动力原理

2.2.1 MIKE21基本控制方程

2.2.2 离散方法及有限差分原理

2.2.3 定解条件

2.3 三维水动力原理

2.3.1 基本控制方程及离散

2.3.2 湍流模型

3 研究区域概况

3.1 工程位置

3.2 水文

3.3 工程布置

3.4 河道横断面设计

3.5 工程任务与规模

3.5.1 工程任务

3.5.2 规模

4 腊山分洪工程物理模型试验研究

4.1 模型试验内容及要求

4.2 水工模型设计

4.2.1 模型设计及比尺的确定

4.2.2 模拟范围与基本控制

4.3 模型加糙

4.3.1 加糙原理

4.3.2 试验条件

4.3.3 试验加糙方式

4.3.4 试验结果

4.4 试验结果与分析

4.4.1 模型试验方案

4.4.2 方案(1)的试验结果

4.4.3 方案(2)的试验结果

4.5 本章小结

5 腊山分洪工程数值模型研究

5.1 腊山分洪道一维水动力模型

5.1.1 MIKE11模型简介及结构

5.1.2 模拟计算区域

5.1.3 河网概化

5.1.4 断面概化

5.1.5 模型参数

5.1.6 模型验证与结果分析

5.1.7 小结

5.2 腊山分洪道二维水动力模型

5.2.1 MIKE21模型简介

5.2.2 模拟范围

5.2.3 网格剖分

5.2.4 定解条件及参数处理

5.2.5 模型验证与结果分析

5.2.6 行洪能力分析

5.2.7 小结

5.3 倒虹吸水力特性研究

5.3.1 Fluent模型简介

5.3.2 模拟范围

5.3.3 网格划分

5.3.4 边界条件及初始条件

5.3.5 模拟结果分析

5.3.6 小结

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

学位论文评阅及答辩情况表