發(fā)布時間：2018-04-25 13:31

  本文選題：推移質(zhì) + 懸移質(zhì)��； 參考：《武漢大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：泥沙運動是河流動力學(xué)及地貌動力學(xué)研究中的重要科學(xué)問題。然而,受到研究條件的限制,以往最初始的研究基本上都是基于均勻沙條件下的飽和平衡輸沙,而泥沙非均勻性及恢復(fù)飽和過程對泥沙運動的影響機制至今仍遠未清楚。最近對沖積河流過程多重時間尺度的研究,從理論上揭示了沖積河流過程推移質(zhì)運動能夠很快調(diào)整到飽和平衡輸沙狀態(tài),而懸移質(zhì)運動則需要相對較長的過程,為界定飽和平衡輸沙假定的適用性提供了全新的理論基礎(chǔ)。本文以沖積河流過程多重時間尺度的研究為理論基礎(chǔ),著眼于非平衡輸沙過程恢復(fù)飽和機制的進一步研究。 在淺水動力學(xué)理論框架下對飽和與非飽和泥沙輸移數(shù)學(xué)模型進行了數(shù)值模擬比較研究。結(jié)果表明,對推移質(zhì)運動,飽和輸沙模型與非飽和輸沙模型差異局限于進口附近非常小的范圍內(nèi),從而飽和輸沙模型能夠近似適用。然而,由于河床變形對水流運動的反作用,要正確模擬水流要素變化應(yīng)該采用非飽和模型。對懸移質(zhì)運動,飽和輸沙模型與非飽和輸沙模型存在實質(zhì)性差異,懸移質(zhì)的數(shù)值模擬研究,應(yīng)該采用非飽和模型。研究結(jié)果有助于促進泥沙運動數(shù)學(xué)模型的發(fā)展和合理運用。 對明渠泥沙運動恢復(fù)飽和距離隨水沙條件的變化規(guī)律進行了定量的研究。研究結(jié)果表明,無論上游來沙增加或者減少,恢復(fù)飽和距離隨懸浮指標(biāo)的變化規(guī)律是一致的,即懸浮指標(biāo)加大,恢復(fù)飽和距離減小,該規(guī)律與泥沙運動模式無關(guān),即所揭示的規(guī)律普遍適用于懸移質(zhì)和推移質(zhì)運動。而定量而言,推移質(zhì)恢復(fù)飽和距離只是水深的幾十倍,而懸移質(zhì)恢復(fù)飽和距離則可能高達數(shù)百倍水深的數(shù)量級甚至更長。研究結(jié)果進一步證實推移質(zhì)向平衡狀態(tài)調(diào)整很快,飽和輸沙模式能夠近似適用,而懸移質(zhì)恢復(fù)平衡過程相對較長,應(yīng)該采用非飽和輸沙模式；同時,對飽和輸沙概念的適用性提供了定量的判據(jù)。 將水沙運動數(shù)值模擬研究中的積分平均模式推廣至風(fēng)沙運動數(shù)值模擬研究中,在此基礎(chǔ)上,將沖積河流過程多重時間尺度理論擴展至風(fēng)沙運動。數(shù)值算例與風(fēng)洞實驗結(jié)果對比表明,積分平均模型能夠基本準(zhǔn)確地捕捉風(fēng)沙運動輸沙率變化的基本特征,而積分平均模式相對于完整三維模型,能夠大大提高計算效率。風(fēng)沙與水沙運動多重時間尺度比較研究表明,風(fēng)沙運動與水沙運動相類似,對于推移質(zhì)含沙量向挾沙力調(diào)整的相對時間尺度較小,含沙量向挾沙力調(diào)整得非�？�,很快能達到飽和平衡輸沙,而對于懸移質(zhì),含沙量向挾沙力調(diào)整則相對較慢。 將推移質(zhì)非飽和輸沙基本規(guī)律研究擴展到非均勻沙情形,開展均勻沙與非均勻沙的清水沖刷試驗。試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,在沖刷條件下,細沙對粗沙的輸移有促進作用,而粗沙對細沙的輸移有抑制作用。這種促進作用隨著細沙含量的增加而增加,而抑制作用隨著粗沙含量的增加而增加,同時,促進和抑制作用隨著流量的減小而增大。通過對以往平衡輸沙條件下非均勻沙試驗結(jié)果的分析,驗證了抑制與促進作用的變化趨勢。研究成果對為非均勻推移質(zhì)輸沙率及地貌形態(tài)變化的計算供了新的理論基礎(chǔ),有助于新的計算模式的建立及現(xiàn)有計算模式的改進,對寬級配區(qū)域的泥沙輸移、河床形態(tài)演化、水文水資源的管理有一定的指導(dǎo)意義。
[Abstract]:Sediment movement is an important scientific problem in the study of river dynamics and geomorphology. However, by the limitation of the research conditions, the previous most initial research is based on the saturated equilibrium sediment transport under the condition of uniform sand, and the influence mechanism of sediment inhomogeneity and recovery to the movement of sand and sand is still far from clear. In the study of the multiple time scales of alluvial processes, it is theoretically revealed that the bed load movement in alluvial rivers can be quickly adjusted to the state of saturated equilibrium transport, while the suspended motion requires a relatively long process, which provides a new theoretical basis for defining the applicability of the assumption of saturated equilibrium sediment transport. The study of multiple time scales is the theoretical basis, focusing on the further study of the mechanism of restoring the saturation of non-equilibrium transport processes.
The numerical simulation of saturated and unsaturated sediment transport models is compared under the framework of shallow water dynamics. The results show that the difference between the bed load motion, the saturated sediment transport model and the unsaturated sediment model is limited to the very small area near the entrance, and the saturated sediment transport model can be approximately applicable. However, the river bed is due to the river bed. There is a substantial difference between the model of suspended sediment transport, the model of saturated sediment transport and the model of unsaturated sand transport. The unsaturated model should be adopted in the numerical simulation of suspended matter. The results of the study are helpful to promote the development of mathematical model of sediment movement. And reasonable use.
The quantitative study on the variation of the saturation distance of the sediment movement of the open channel with the change of water and sediment conditions is carried out. The results show that, no matter the increase or decrease of the sediment in the upstream, the recovery saturation distance is consistent with the variation of the suspension index, that is, the suspension index is increased and the recovery saturation distance decreases, which is independent of the sediment movement model. The rules revealed generally apply to the suspended matter and the bed load movement. But the load recovery saturation distance is only a few dozen times the water depth, while the suspended matter recovery saturation distance may be as high as hundreds of times the depth of the water depth. The application of the suspended sediment transport is relatively long, and the model of unsaturated sediment transport should be adopted. At the same time, the quantitative criterion for the applicability of the concept of saturated sediment transport is provided.
The integral average model of the numerical simulation of water and sediment movement is extended to the numerical simulation of wind sand movement. On this basis, the multiple time scale theory of alluvial process is extended to the wind sand movement. The numerical example and wind tunnel experiment results show that the integral average model can accurately capture the sediment transport rate change of the wind sand movement. Compared with the complete three-dimensional model, the integral average model can greatly improve the calculation efficiency. The comparison of the multiple time scales of wind sand and water sand movement shows that the wind sand movement is similar to the water and sand movement, and the relative time scale of the load sediment concentration to the sediment carrying capacity is smaller, and the sediment concentration is not adjusted to the sand carrying capacity. It is very fast that it can reach the saturated equilibrium sediment transport very quickly, but for suspended load, the sediment concentration to the sediment carrying capacity is relatively slow.
The basic law of bedload non saturated sediment transport is extended to the non uniform sand situation, and the clean water scour test of uniform sand and non-uniform sand is carried out. The result of experimental data analysis shows that under the condition of scour, fine sand can promote the transport of coarse sand, and the coarse sand inhibits the transport of fine sand. This promotion effect is with the sand content. The inhibition effect increases with the increase of the coarse sand content, while the promotion and inhibition increases with the decrease of the flow rate. Through the analysis of the previous results of the non-uniform sand test under the equilibrium sediment transport conditions, the change trend of the inhibition and promotion is verified. The calculation of morphological change provides a new theoretical basis, which is helpful to the establishment of the new calculation model and the improvement of the existing calculation model. It has certain guiding significance for the sediment transport in the wide gradation area, the evolution of the riverbed shape, and the management of hydrology and water resources.

【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TV142.2

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本文編號：1801545