冰盖形成及厚度变化的数值模拟

摘要

冰凌是冬季寒冷地区河流上普遍存在的一种水文现象。这些地区河流冬季常形成冰盖、冰塞或冰坝，它们会带来各种冰凌灾害。现在随着计算机技术的飞速发展，人们在研究冰水两相流问题时，越来越多的采用了数学模型的方法。数学模型以其方便高效，费用低廉的优势，已经成为研究冰水两相流运动规律的重要手段之一。依据传热理论、数值传热的方法，使用FLUENT软件中凝固与融化解算器，研究了不同流速、温度、水深等条件下冰盖的厚度变化、断面流速分布、温度等流场参数的变化情况，模拟分二维、三维两种情况。模拟结果显示：二维情况下，运用壁面传热形成的冰盖厚度大于运用空气传热形成的冰盖厚度，壁面传热形成的冰盖厚度沿程变化缓慢，而空气传热形成的冰盖厚度沿程变化明显，减小入口流速，降低壁面或空气温度等，形成冰盖的厚度都会增大；三维情况下，弯道入口处凸、凹岸形成的冰盖厚度基本相同，进入弯道后，凸岸形成的冰盖厚度逐渐增大，而凹岸的冰盖厚度逐渐减小，受横向环流的影响，冰盖下水流的温度场趋向复杂，并且凸岸的温度小于凹岸的温度；与实验室实验所得数据相比较，数值模拟研究得到的规律基本符合实验规律。

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论文说明：图表目录

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致谢

第一章绪论

1.1冰情的概述

1.2国内外冰情的主要研究方法

1.3数值模拟中数值方法的分类

1.3.1有限差分方法(Finite Difference Method，简称FDM)

1.3.2有限元方法(Finite Element Method，简称FEM)

1.3.3有限分析法(Finite Analytic Mothod，简称FAM)

1.3.4有限体积法(Finite Volume Method，简称FVM)

1.4流体流动的控制方程

1.4.1连续性方程

1.4.2动量方程

1.4.3紊流模型

1.5课题的来源及意义

1.6本文的主要工作

第二章FLUENT基本理论及应用介绍

2.1 FLUENT软件的简介

2.1.1程序结构

2.1.2 FLUENT的模拟能力

2.1.3解决问题的步骤

2.2 FLUENT中的网格

2.2.1网格类型

2.2.2网格类型的选择

2.2.3网格质量

2.3 FLUENT中边界条件的处理

2.3.1边界条件的分类

2.3.2质量入口、速度入口、压力出口和壁面边界条件

2.4操作压力的确定

2.5基本物理模型

2.5.1基本物理模型概述

2.5.2连续性和动量方程

2.6 FLUENT中的湍流模型

2.6.1模型简介

2.6.2湍流模型的选择

2.6.3论文着重应用的RNG k-ε模型

2.7 FLUENT求解器

2.7.1选择解的格式

2.7.2求解器使用概述

第三章冰盖形成的二维数值模拟

3.1模型概述

3.2计算的边界条件

3.3壁面热传导的模拟分析

3.3.1不同入口流速条件下模拟结果的比较分析

3.3.2不同上壁面温度条件下模拟结果的比较分析

3.3.3不同水深条件下模拟结果的比较

3.4空气对流传热的模拟分析

3.4.1不同入口流速条件下模拟的结果及分析

3.4.2不同空气温度的模拟结果及分析

3.4.3不同水深条件下模拟的结果及分析

3.4.4不同空气流速的计算结果及分析

3.5本章小结

第四章U型弯道中冰盖形成的数值模拟

4.1模型概述

4.2计算的边界条件

4.3 U型弯道冰盖形成的模拟分析

4.3.1不同入口流速条件下的模拟比较

4.3.2不同空气温度的模拟比较

4.3.3不同模型水深的模拟比较

4.4本章小结

第五章实验室实验与数值模拟所得冰盖厚度的比较

5.1实验室模拟的概述

5.2实验室实验结果与数值模拟结果的比较

5.3实验室实验所得数据的对比

5.3.1冰塞下水流速度对冰塞厚度的影响

5.3.2流场水深对冰塞厚度的影响

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献