基于不可压缩光滑粒子动力学方法的溃坝数值模拟

摘要

溃坝洪水演进过程通常伴随着水力侵蚀和泥沙输运等过程，如何准确描述自由水面的变化和床面泥沙的运动一直是溃坝问题研究中的热点和难点。光滑粒子动力学方法(SPH)作为逐渐被广泛应用的非网格数值计算方法，其自身的拉格朗日特性能很好地处理溃坝过程中水流的自由表面和水沙两相局部大变形问题。ISPH方法在传统SPH方法的基础上增加了基于密度不变性的不可压缩条件和半隐式的压力求解方式，所模拟的结果更加稳定并接近实际。
　　本文使用ISPH方法结合考虑垂向水流对床面冲击作用的泥沙临界起动流速起动模式，建立了两相ISPH动床溃坝模型，针对一般形式的二维溃坝问题进行了数值模拟，计算结果展示了溃坝水流的自由面形态，床面形态，水流流场，压力分布场等宏观流动特性，并与文献中的模型试验结果以及其他数值方法的模拟结果进行对比，结果表明床面和自由面的模拟结果比较合理，压力和速度分布场比较符合实际流态，水流的运动锋面位置优于所调研文献中的数值模拟结果，更加符合实验结果。证明了ISPH方法在动床溃坝问题上应用的潜力。本文的创新点有以下两点：首次应用基于密度不变性的ISPH方法研究一般的瞬时二维动床溃坝问题，针对文献中具体的两个算例进行了模拟验证与误差分析；在泥沙起动状态的判别上考虑了垂向水流对床面的冲击作用，对于临界的垂向冲击速度和初始粒子间隔进行了敏感性分析。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 数值研究方法及国内外研究现状

1．3．1 数值模拟方法概述

1．3．2 ISPH方法简介及研究现状

1．4 主要工作及章节安排

2 ISPH数值方法介绍

2．1 ISPH理论基础

2．2 核函数

2．3 人工压缩性

2．4 人工粘度

2．5 抽象化孔隙

2．6 边界条件

2．7 粒子关联

3 ISPH定床孔隙溃坝模型

3．1 模型验证

3．2 设计工况计算

3．3 结果与讨论

3．3．1 流量过程线分析

3．3．2 自由面分析

3．3．3 速度场分析

4 基于ISPH方法的动床溃坝模型

4．1 控制方程

4．2 时间积分

4．3 泥沙起动模型

4．3．1 泥沙起动理论概述

4．3．2 临界起动拖拽力模式

4．3．3 临界起动流速模式

4．3．4 ISPH泥沙起动模式

4．4 两相ISPH模型

4．5 紊流模型

4．6 ISPH动床溃坝模型程序化

5 溃坝模型运行结果及误差分析

5．1 模型设置及参数选取

5．2 单相ISPH模拟结果及分析

5．2．1 单相ISPH与实验结果对比及分析

5．2．2 单相ISPH与MPS模拟结果对比及分析

5．2．3 单相ISPH模拟结果特征分析

5．3 两相ISPH模拟结果及分析

5．3．1 两相ISPH与实验结果对比及分析

5．3．2 两相ISPH与MPS模拟结果对比及分析

5．3．3 两相ISPH模拟结果特征分析

5．4 垂向起动流速敏感性分析

6 总结与展望

6．1 主要结论

6．2 存在的问题和改进

6．3 学科展望

参考文献

作者简历及科研成果