【摘要】： 南水北調(diào)中線明渠段一旦發(fā)生水污染突發(fā)事故,必須快速揭示不同運行條件下污染物的輸移擴散規(guī)律,提出事故處置對策。論文通過建立縱向一維和水深平均二維水流-水質(zhì)數(shù)值模型,對事故污染特性的模擬方法進行了深入研究,并開展了針對南水北調(diào)中線典型明渠段突發(fā)事故污染的模擬分析。 論文建立了高精度的一維水流-水質(zhì)數(shù)值模型,模型中分別采用Preissman和Preissman-Holly格式離散水流及水質(zhì)方程,保證了數(shù)值離散具有良好的精度和穩(wěn)定性。首次將最大信息熵原理應(yīng)用于梯形明渠,確定了縱向流速的斷面分布公式,基于Fischer的三重積分方法,提出了精確的縱向離散系數(shù)計算公式。 論文還建立了水深平均二維水流-水質(zhì)模型,選用通量差分裂格式求解方程組的對流項,能有效處理各種復(fù)雜流態(tài),并高分辨率模擬污染物的輸移擴散。通過構(gòu)造離散單元內(nèi)部流動變量分布,間接求解底坡項,考慮了底坡項作用的迎風(fēng)特性并簡化了邊界條件。提出了淹沒節(jié)點法和守恒型人工滲透法,用以處理動邊界問題;采用網(wǎng)格局部加密技術(shù)和當?shù)貢r間步長法,提高模型的精度和效率。論文通過多個典型算例對建立的二維模型進行了驗證,表明模型可以處理潰壩波、急流和緩流過渡、間斷濃度場等流場和濃度場突變的問題。 論文利用一維和二維模型研究了正常運行情況下南水北調(diào)中線典型明渠段水體流動和污染物輸移的規(guī)律。兩種模型都能準確地模擬污染云團的平均移動速度,一維模擬具有快速、及時的優(yōu)點,但是,由于忽略了射流核心區(qū)和擴散區(qū)的影響,模擬結(jié)果中將污染云團的偏態(tài)分布形式近似為正態(tài)分布,錯估了最大濃度點的移動速度,并夸大了污染云團的縱向長度;二維模型不僅能更準確地模擬污染云團的縱向分布特征,還能反映污染物進入水體的橫向位置對濃度場的影響,污染物進入水體越快、橫向混合系數(shù)越小,越有必要采用二維模型準確模擬污染物的輸移規(guī)律。在恒定流模擬的基礎(chǔ)上,論文利用二維模型對事故處置過程中,采用閘前定水位控制運行方式下的非恒定流場和濃度場進行了模擬研究,研究表明上游節(jié)制閘門的關(guān)閉歷時應(yīng)大于兩倍渠道長度與渠道中淺水長波波速的比值,關(guān)閉閘門不僅會減緩污染云團的平均運動速度,還將改變云團的濃度分布情況,關(guān)閉速度越快影響越大。論文成果為深入分析南水北調(diào)中線明渠段水污染事故的特性和進一步研究事故處理措施,提供了堅實的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：X52
【圖文】：

本章選取多個典型算例對已開發(fā)的二維模型進行驗證，分別檢驗?zāi)ｉg斷流場、濃度場，以及處理底坡項和復(fù)雜流態(tài)過渡等問題的能力。5.1 二維部分潰壩波計算Fennema 等人的平底無摩擦二維部分潰壩問題，幾乎是檢驗各種激波式處理間斷流場能力最典型的算例[121]-[123]。200m×200m 的矩形計算域，游端 100m，壩上游水深為 10m，壩下游水深為 5m。t＝0 時，發(fā)生瞬時故，決口寬 75m，與兩側(cè)邊壁的距離分別是 30m 和 95m。模擬過程中，計算域被均勻劃分為 40×40 個矩形單元，固壁處采用件，不考慮水平渦粘性作用。計算所得t＝7.2s 時的自由面水位如圖 5.1計算結(jié)果與各文獻的結(jié)果一致，且數(shù)值分辯率較高。限于篇幅，此處只汪繼文等人[123]的模擬結(jié)果如圖 5.2 所示。結(jié)果表明，本文模型能以較高有效處理間斷問題。

圖 5.2 汪繼文等人計算t＝7.2s 水面形狀5.2 水面自由振蕩算例Thacker 曾研究過拋物型淺水湖因水面隆起產(chǎn)生的自由震蕩問題，獲得其解[25]。該算例中包含了底坡項對流場的影響，同時，伴隨著水面振蕩，存動的干濕邊界，即本文所謂動邊界問題。假想的拋物型湖底地形為：2 2 20h ( x , y ) = h [1 ( x +y ) / a]其中， h ( x , y )為坐標( x , y )處的靜水深，即湖面水平時的水深；0h 為湖中水深; a為圓形靜湖面的半徑。假設(shè)初始水面隆起，初始水面的形狀由 t = 0時，(5-1)式中湖水面高程η

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本文編號：2761874