颗粒离散元和点球浸入边界法在泥沙输运研究中的应用

摘要

泥沙颗粒在三维紊流场中的输移是典型两相流问题。本文采用基于有限体积法的高效能紊流并行计算程序——CgLES，结合点球浸入边界法和基于“事件驱动”模型和“弹簧—阻尼”模型的颗粒离散元法，对泥沙输移问题进行数值模拟研究，可以模拟百万甚至千万量级的泥沙颗粒运动，需要的计算资源较少，适合研究较大空间尺度的泥沙演变过程，更接近于工程应用，同时具有较高精度，对于泥沙颗粒的输移研究具有重要意义。
　　本文应用上述方法对明渠紊流边界层中泥沙颗粒的运动与分布，明渠床面沙纹的演变以及直立桩柱周围的局部冲刷三种典型的泥沙输移问题进行了数值模拟。研究发现：
　　明渠中颗粒的输运对紊流的统计特征有影响，其运动与近壁区紊流拟序结构密切相关。惯性颗粒在明渠紊流边界层中分布存在不均匀性，易聚集形成顺流向条带结构，这种不均匀性主要受St数的影响，当?1?St??时，不均匀性最为显著。
　　明渠紊流中沙纹会发生合并，在沙纹数量不变的条件下，沙纹高度近似呈线性增长，而沙纹的长度的平均值却保持恒定。随着沙纹高度的增大，输沙率逐渐降低并趋于稳定。当沙纹发生合并时，沙纹的高度快速增加，输沙率也随之大幅降低。
　　直立桩柱周围的局部冲刷首先发生在与展向对称面呈40°左右的桩柱两侧，此处的冲刷深度在整个冲刷过程中一直保持最大。随着冲刷发展，冲刷区域和淤积区域逐渐向下游延伸，冲淤变化速度减小，最终达到冲淤平衡。

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第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3研究内容

第二章 数值模拟方法介绍

2.1 浸入边界法概述

2.2 水动力模型

2.3 颗粒运动模型

2.4 点球浸入边界法的适用性探讨

2.5 本章小结

第三章 程序验证算例

3.1单相明渠紊流

3.2 明渠层流边界层中圆柱角区流动

3.3单个颗粒在静止流体中自由沉降

3.4 不同希尔兹数下明渠紊流中的颗粒输移

3.5 本章小结

第四章 明渠中颗粒运动与分布的直接数值模拟研究

4.1 模拟参数设置

4.2颗粒对紊流统计特征的影响

4.3紊流拟序结构与颗粒运动的相关性

4.4 利用Voronoi分析法研究明渠紊流边界层中惯性颗粒的分布

4.5 本章小结

第五章 明渠沙纹演变的大涡模拟研究

5.1 模拟参数设置

5.2 明渠沙纹演变及其统计特征

5.3 本章小结

第六章 直立桩柱局部冲淤演变

6.1 模拟参数设置

6.2 直立桩柱局部冲淤演变

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 本文创新之处

7.3 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢