在對近年來國內(nèi)外三維紊流計(jì)算的有關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了細(xì)致的分析研究基礎(chǔ)上，本文將三維紊流計(jì)算中常用的σ坐標(biāo)變換加以改進(jìn)，引入垂向分層系數(shù)k_0，采用σ=k_0 (z-η)／D的變換方法，，以期更好地與實(shí)際地形相匹配，改善常見σ坐標(biāo)變換數(shù)學(xué)模型在地形復(fù)雜地區(qū)容易發(fā)散的問題，并給出了k_0的確定方法。根據(jù)上述思想，從雷諾方程出發(fā)，采用靜壓假定和包辛內(nèi)斯克的紊動粘性系數(shù)假說，建立了新坐標(biāo)系中的紊流控制方程組，同時(shí)給出了對物質(zhì)輸運(yùn)過程具有代表性的鹽度輸運(yùn)方程、相應(yīng)的邊界條件及完整的推導(dǎo)過程。分析了在新坐標(biāo)系下應(yīng)用k-ε模型可能存在的問題，并從模型的特點(diǎn)出發(fā)，以對數(shù)流速分布為基礎(chǔ)，導(dǎo)出了垂向紊動粘性系數(shù)的分布公式。 采用有限差分法對新坐標(biāo)系中的模型控制方程進(jìn)行了數(shù)值離散，根據(jù)差分格式編制了相應(yīng)的計(jì)算程序。分別對垂向二維恒定流的垂向流速分布，實(shí)驗(yàn)水槽三維恒定流的垂向流速分布與橫向流速分布進(jìn)行了計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與相應(yīng)的實(shí)測資料以及理論結(jié)果對比分析，證明了模型的可靠性。在實(shí)驗(yàn)水槽恒定流的計(jì)算中，根據(jù)壁面函數(shù)法的基本原理，對槽底及壁面的邊界條件做了相關(guān)的專門處理；并根據(jù)實(shí)驗(yàn)水槽恒定流的水力特性，導(dǎo)出了摩阻流速計(jì)算公式。 以地形復(fù)雜的甌江河口局部海區(qū)為例，分別采用給定恒定流以及實(shí)際潮流過程作為邊界條件，對水流鹽度過程采用不同的k_0形式進(jìn)行了計(jì)算，給出了潮位過程、平均鹽度過程以及流場的逐時(shí)計(jì)算結(jié)果，將計(jì)算結(jié)果與相應(yīng)的理論結(jié)果、實(shí)測資料以及大范圍二維數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證及細(xì)致分析，得到了較為滿意的結(jié)果。 深入系統(tǒng)的總結(jié)了論文工作中有待進(jìn)一步深入研究的問題，提出可能的解決方案，并探討了后續(xù)的研究發(fā)展方向。 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于： 1．引入垂向分層系數(shù)k_0，σ坐標(biāo)變換加以改進(jìn)，建立了新的完整的水流鹽度數(shù)學(xué)模型，并給出了完整的推導(dǎo)過程； 2．在對新坐標(biāo)系中k-ε模型進(jìn)行細(xì)致分析的前提下，以對數(shù)流速分布為基礎(chǔ)，采用新的方法導(dǎo)出了垂向紊動粘性系數(shù)的分布公式，并與傳統(tǒng)的公式相比較，證明了其正確性； 3．采用有限差分方法對新建的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了數(shù)值離散，通過穩(wěn)定性對比分析證明了其可靠性，編制了完整的計(jì)算程序； 4．作為對新建數(shù)學(xué)模型、差分格式以及計(jì)算程序的檢驗(yàn)，結(jié)合理論分析及實(shí)測資料，對實(shí)驗(yàn)水槽中的三維流動，以及毆江河口局部復(fù)雜海區(qū)的潮流鹽度過程等多種工況進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算，取得了較為滿意的成果。

【學(xué)位授予單位】：河海大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2003
【分類號】：TB126
【目錄】：

• 前言3-7
• 摘要7-8
• Abstract8-9
• 第一章 緒論9-21
• 1.1 問題的提出9
• 1.2 三維水流數(shù)學(xué)模型研究進(jìn)展9-20
• 1.2.1 描述流體運(yùn)動的基本方程9-11
• 1.2.2 常用離散方法11-14
• 1.2.3 幾個(gè)關(guān)鍵問題的常見處理方法14-16
• 1.2.4 計(jì)算網(wǎng)格16-18
• 1.2.5 鹽度輸運(yùn)數(shù)值模擬18
• 1.2.6 數(shù)值模擬成果可視化18-20
• 1.3 本文的主要研究工作20-21
• 第二章 水流運(yùn)動及物質(zhì)輸運(yùn)的數(shù)學(xué)描述21-25
• 2.1 水流運(yùn)動的數(shù)學(xué)描述21-22
• 2.2 物質(zhì)輸運(yùn)過程的數(shù)學(xué)描述22
• 2.3 常用σ坐標(biāo)系中的三維水流數(shù)學(xué)模型22-23
• 2.4 本文所建數(shù)學(xué)模型的基本原理23-24
• 2.5 小結(jié)24-25
• 第三章 新坐標(biāo)系下三維水流鹽度數(shù)學(xué)模型的建立25-39
• 3.1 笛卡爾坐標(biāo)系與新坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系25-26
• 3.2 新坐標(biāo)系中連續(xù)性方程的導(dǎo)出26-28
• 3.3 新坐標(biāo)系中動量方程的導(dǎo)出28-30
• 3.4 新坐標(biāo)系中補(bǔ)充方程的導(dǎo)出30-31
• 3.5 新坐標(biāo)系中鹽度輸運(yùn)方程的導(dǎo)出31
• 3.6 垂向紊動粘性系數(shù)的確定31-35
• 3.6.1 新坐標(biāo)系中k-ε模型的變換與分析31-32
• 3.6.2 垂向紊動粘性系數(shù)表達(dá)式的建立32-35
• 3.7 邊界條件與初始條件35-38
• 3.7.1 邊界條件35-37
• 3.7.2 初始條件37-38
• 3.8 小結(jié)38-39
• 第四章 模型的數(shù)值離散39-48
• 4.1 離散網(wǎng)格與結(jié)點(diǎn)39
• 4.2 新坐標(biāo)系中控制方程的數(shù)值離散39-46
• 4.2.1 水位方程的離散39
• 4.2.2 x方向動量方程的離散39-41
• 4.2.3 y方向動量方程的離散41-42
• 4.2.4 水位反算方程的離散42-43
• 4.2.5 求解垂向流速43-44
• 4.2.6 笛卡兒坐標(biāo)系中垂向流速的計(jì)算44-45
• 4.2.7 鹽度方程的離散45-46
• 4.3 穩(wěn)定性分析46-47
• 4.4 數(shù)學(xué)模型的求解過程47
• 4.5 小結(jié)47-48
• 第五章 實(shí)驗(yàn)水槽恒定均勻流的計(jì)算與討論48-62
• 5.1 計(jì)算條件與網(wǎng)格劃分48
• 5.2 計(jì)算中幾個(gè)問題的處理48-57
• 5.2.1 摩阻流速u_*的確定48-56
• 5.2.2 水底邊界的處理56
• 5.2.3 側(cè)壁邊界的處理56-57
• 5.2.4 水平紊動粘性系數(shù)的確定57
• 5.3 計(jì)算結(jié)果及分析57-61
• 5.3.1 垂向二維計(jì)算結(jié)果及分析57-58
• 5.3.2 三維計(jì)算流速沿垂向分布結(jié)果及分析58-59
• 5.3.3 三維計(jì)算流速橫向分布結(jié)果及分析59-61
• 5.4 小結(jié)61-62
• 第六章 甌江河口局部海區(qū)潮流及鹽度輸運(yùn)計(jì)算62-99
• 6.1 計(jì)算條件及計(jì)算網(wǎng)格62-64
• 6.2 恒定流與均勻鹽度場的計(jì)算結(jié)果及分析64-67
• 6.3 潮汐作用下的流場及鹽度計(jì)算結(jié)果及分析67-69
• 6.3.1 邊界條件67
• 6.3.2 潮位的計(jì)算與分析67-68
• 6.3.3 流速的計(jì)算與分析68
• 6.3.4 鹽度的計(jì)算與分析68-69
• 6.4 小結(jié)69-99
• 第七章 結(jié)論與展望99-101
• 參考文獻(xiàn)101-107
• 致謝107-108
• 本文作者在博士研究生學(xué)習(xí)期間參加過的工程項(xiàng)目108
• 本文作者在博士研究生學(xué)習(xí)期間發(fā)表的論文108

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