本文選題：中心迎風(fēng)格式 + 有限體積法　； 參考：《浙江大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：我國(guó)是一個(gè)自然災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家,而洪水災(zāi)害尤為嚴(yán)重。洪水過(guò)程中通常伴隨著山體滑坡、底床侵蝕、泥沙運(yùn)動(dòng)等過(guò)程,對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)造成巨大的威脅。因此,做好對(duì)洪水災(zāi)害的預(yù)防和管理具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文研究通過(guò)開發(fā)守恒、穩(wěn)定的二維定床和動(dòng)床洪水?dāng)?shù)值模型,用于揭示在復(fù)雜地形條件下洪水運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力學(xué)特性和泥沙輸移、底床變形規(guī)律,為我國(guó)的防洪減災(zāi)提供相應(yīng)的技術(shù)支撐。因此,主要研究工作包括以下幾個(gè)方面： 1、基于矩形網(wǎng)格,采用有限體積法建立了定床條件下二維水動(dòng)力模型,用于模擬洪水在復(fù)雜實(shí)際地形條件下的流動(dòng)過(guò)程。該模型采用中心迎風(fēng)格式求解界面通量,并結(jié)合對(duì)界面變量的線性重構(gòu),使其具有空間上的二階精度。在界面黎曼狀態(tài)線性重構(gòu)的過(guò)程中,引入了非負(fù)水深重構(gòu)和局部地形高程改變的方法,改進(jìn)了以往模型中由于干濕邊界處理不當(dāng)而造成負(fù)水深及質(zhì)量不守恒的問(wèn)題,使得本模型具有很好的模擬干濕變化能力和守恒性。分別采用中心差分方法和半隱式方法對(duì)底床坡度項(xiàng)和摩擦阻力項(xiàng)進(jìn)行離散,保證了模型的和諧性和穩(wěn)定性。對(duì)于復(fù)雜地形條件下洪水的模擬,當(dāng)庫(kù)朗特?cái)?shù)小于0.25時(shí),本文模型能夠保證任何時(shí)刻的計(jì)算水深都是非負(fù)的,而無(wú)需對(duì)負(fù)水深單元進(jìn)行特殊處理。因此,相比于現(xiàn)有的大部分洪水模型,該模型具有更強(qiáng)的魯棒性和穩(wěn)定性。將該模型應(yīng)用于計(jì)算和分析多個(gè)洪水案例,結(jié)果表明本文模型具有良好的計(jì)算精度和較強(qiáng)的激波捕捉能力,能夠有效地處理復(fù)雜的地形條件和模擬水流的干濕變化過(guò)程,適用各種流態(tài)(急流、緩流以及混合流)水流的計(jì)算,能夠有效地應(yīng)用實(shí)際工程算例,具有廣闊的應(yīng)用前景。 2、基于三角形網(wǎng)格,采用有限體積法建立了定床條件下二維水動(dòng)力模型,用于模擬復(fù)雜邊界和地形條件下洪水的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。該模型采用中心迎風(fēng)格式求解界面數(shù)值通量,并通過(guò)引入限制器技術(shù)對(duì)界面兩側(cè)變量進(jìn)行重構(gòu),使其在空間上具有兩階精度。采用局部改變河床高程方法對(duì)界面重構(gòu)變量進(jìn)行修正來(lái)提高模型的干濕處理能力。該模型既能保證數(shù)值格式的和諧性,又能夠確保整個(gè)計(jì)算過(guò)程中水深是非負(fù)的。通過(guò)多個(gè)洪水算例的模擬分析,計(jì)算結(jié)果表明：該模型能很好的捕捉復(fù)雜地形和邊界條件下洪水演進(jìn)過(guò)程中的洪水鋒面運(yùn)動(dòng)、干濕節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化、水深和流量變化等過(guò)程,具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性、水量守恒性和激波捕捉能力,特別適用于具有復(fù)雜地形和阻水結(jié)構(gòu)物的洪水演進(jìn)案例分析。 3、在所建立的守恒、穩(wěn)定的定床洪水?dāng)?shù)值模型的基礎(chǔ)上,采用有限體積法建立了動(dòng)床條件下考慮水沙相互作用的潰壩洪水二維水沙耦合模型,用于模擬堤壩潰決和漫頂造成的非恒定洪水運(yùn)動(dòng)、泥沙輸移以及底床沖刷和沉積變形。本文模型為基于非平衡輸沙理論的水沙全耦合模型,考慮了泥沙密度的時(shí)空變化和底床變形對(duì)于水流質(zhì)量和動(dòng)量的影響,并通過(guò)求解全沙泥沙輸移方程和底床變形方程來(lái)計(jì)算泥沙運(yùn)移和底床變化過(guò)程。模型采用中心迎風(fēng)格式求解界面通量,并結(jié)合對(duì)界面變量的線性重構(gòu),使其具有空間上的二階精度。底床坡度項(xiàng)和底床摩阻項(xiàng)分別采用中心差分方法和半隱式格式進(jìn)行計(jì)算,底床變形方程采用顯式格式離散。改進(jìn)的干濕邊界處理方法使得本文模型在地形發(fā)生變化的條件下,能夠保證計(jì)算水深的非負(fù)性,具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和魯棒性。本文模型也是中心迎風(fēng)格式在動(dòng)床二維洪水和泥沙耦合模型中的最新應(yīng)用。該模型計(jì)算了三個(gè)潰壩水流動(dòng)床實(shí)驗(yàn),計(jì)算水位和底床高程隨時(shí)間的變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值總體上吻合較好,表明建立的模型對(duì)于動(dòng)床條件下洪水運(yùn)動(dòng)、泥沙輸移和底床變化的模擬和預(yù)測(cè)具有較好的實(shí)用性。
[Abstract]:Our country is a country with frequent natural disasters , and the flood disaster is particularly serious . During the flood process , the process of landslide , bed erosion and mud - sand movement is often accompanied by the great threat to human life and property . Therefore , it is of great practical significance to do well in the prevention and management of flood disasters .

Based on the development of conservation and stable two - dimensional fixed bed and dynamic bed flood numerical model , this paper is used to reveal the hydrodynamic characteristics and sediment transport and bed deformation law of flood movement under complex terrain conditions , and provide corresponding technical support for flood control and mitigation in our country . Therefore , the main research work includes the following aspects :

1 . Based on rectangular grids , a two - dimensional hydrodynamic model under fixed bed conditions is established by finite volume method , which is used to simulate the flow process of flood under complex physical conditions .

2 . Based on triangular meshes , a two - dimensional hydrodynamic model under fixed bed conditions is established by finite volume method , which is used to simulate the movement process of flood under complex boundary conditions and terrain conditions .

3 . Based on the established conservation and stable fixed bed flood numerical model , a two - dimensional water - sediment coupling model is established under the condition of dynamic bed by finite volume method , which is used to simulate the non - constant flood movement , sediment transport and bottom bed scouring and sediment deformation caused by dam break and diffusion .

【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TV122;TV131.6

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1736847