试议颗粒考虑尺度效应泥沙颗粒周围水动力特性

论文导读：
摘要：考虑尺度效应的泥沙颗粒周围水动力特性探讨对泥沙的运动起着重要作用。尺度效应基于几何尺度和动力尺度两个方面。以几何尺度的角度看，可划分为细颗粒与粗颗粒情况。以动力尺度的角度看，可划分为低雷诺数与高雷诺数情况。本论文通过论述浅析、数值模拟和试验探讨的策略对考虑尺度效应的泥沙颗粒周围的水流结构进行详细探讨，重点进行了以下几个方面的工作：1.小尺度细颗粒情况，主要针对其受扰动的冲淤及流动结构情况进行浅析。首先，基于有限体积法的立面二维数值模型，同时结合了经典的泥沙起动流速公式和冲刷深度近似的计算论述，考虑进口流速、管径和泥沙粒径的影响，对南海管线周围的小尺度泥沙床面的冲淤进行了预测，结果可供工程运用借鉴；其次，基于曲线坐标下有限差分法的立面二维数值模型，对小尺度泥沙床面受扰动的流动特性做进一步模拟，对不同大小扰动物影响的情况进行比较浅析，得出了不同管径尺度下的冲刷深度公式；最后，通过水槽试验对小尺度细颗粒受扰动形成的床面演化进行探讨，得到了冲淤演变、流场分布及能量谱等。2.大尺度粗颗粒情况，主要针对卵石在不同隐蔽度下的流动结构进行浅析。首先，基于有限差分法的立面二维数值模型，考虑到纵向与垂向的隐蔽度，针对线性波作用于大尺度粗颗粒的流动特性做了细致浅析；其次，基于有限体积法的立面二维数值模型，考虑到纵向与垂向的隐蔽度，颗粒起动采取滚动方式，结合水流结构进一步探讨其在高雷诺数下的起动规律，通过比较9种情况下阻力与升力的数值结果浅析表明，纵向隐蔽度对水动力因素亦有较大影响；再次，基于有限体积法的平面二维数值模型，考虑到纵向与横向的隐蔽度，对低雷诺数时横向颗粒在不同隐蔽情况下的绕流结构、涡动力特性、升阻力系数进行了探讨；最后，通过水槽试验得到了不同纵向与垂向隐蔽度下粗颗粒周围的流场分布、断面流速、紊动强度、雷诺应力、紊动动能等。同时还运用了EEMD-HHT的论述与策略到水流结构的探讨中，得到了相应的边际谱、边际能量谱、瞬时能量谱以及总能量。关键词：细颗粒论文粗颗粒论文隐蔽度论文水动力论文数值模拟论文水槽试验论文
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ABSTRACT4-10
第一章 绪论10-18

1.1 探讨目的和作用10-11

1.2 相关探讨工作11-16

1.2.1 小尺度连续泥沙颗粒周围的水动力特性探讨11-12

1.2.2 大尺度散粒体泥沙颗粒周围的水动力特性探讨12-13

1.2.3 泥沙颗粒受隐蔽度影响的探讨13-14

1.2.4 水动力特性试验数据去噪和频谱浅析策略探讨14-16

1.3 本论文主要工作16-17

1.3.1 探讨思路和策略16

1.3.2 探讨内容与结构安排16-17

1.4 本论新点17-18

第二章 小尺度泥沙床面的受扰形态浅析18-38

2.1 引言18-19

2.2 小尺度泥沙数值模型19-23

2.1 制约方程19-20

2.2 k ε混合紊流模型20-21

2.3 颗粒温度输运方程21

2.4 计算求解策略和边界条件21-22

2.5 计算模拟情况22-23

2.3 小尺度泥沙论述方式23-30

2.3.1 张瑞瑾公式24

2.3.2 唐存本公式24

2.3.3 窦国仁公式24-25

2.3.4 王尚毅-白玉川公式25-26

2.3.5 沙玉清公式26-27

2.3.6 约翰 B.赫比希公式27-29

2.3.7 希尔兹曲线判断29-30

2.4 计算结果与讨论30-36

2.4.1 数值模型验证30

2.4.2 冲刷历程模拟30-32

2.4.3 冲刷深度32-33

2.4.4 论述计算结果33-36

2.5 本章小结36-38

第三章 小尺度与大尺度泥沙颗粒周围的流态浅析38-57

3.1 引言38

3.2 小尺度泥沙冲於模型38-41

3.

2.1 连续方程式38

3.

2.2 动量方程38

3.

2.3 紊流模型方程38-39

3.

2.4 悬沙浓度方程39-40

3.

2.5 床面变形方程40

3.

2.6 数值计算策略及边界条件40-41

3.3 冲淤模型计算41-49

3.1 模型验证41-42

3.2 冲淤演变及深度42-46

3.3 流动特性46-49

3论文导读：小、大尺度泥沙颗粒周围的水流特性试验探讨110-1366.1引言1106.2物理模型试验110-1136.2.1试验设置110-1126.2.2试验策略1126.2.3试验内容112-1136.3小尺度泥沙床面受扰试验浅析113-1176.3.1断面流速变化113-1146.3.2冲刷平衡深度和床面形态114-1166.3.3能量谱变化116-1176.4大尺度颗粒周围的流动特性117-1286.4.1
.4 大尺度泥沙水流波浪数值模型49-51

3.4.1 连续方程49

3.4.2 动量方程49

3.4.3 紊流模型方程49-50

3.4.4 自由水面运动方程50

3.4.5 数值计算策略及边界条件50-51

3.5 计算结果浅析51-55

3.5.1 水流与波浪情况比较51

3.5.2 波浪作用下隐蔽度对流动的影响51-55

3.6 本章小结55-57

第四章 大尺度泥沙颗粒周围水流特性的立面二维浅析57-82

4.1 引言57-58

4.2 大尺度泥沙水流数值模型58-59

4.

2.1 制约方程58-59

4.

2.2 数值计算策略及边界条件59

4.3 数值水槽布置59-60

4.4 计算结果浅析60-81

4.1 阻力与升力60-63

4.2 正面推力系数和上举力系数63-67

4.3 卵石位置的影响67

4.4 断面流速分布67-77

4.5 涡量分布77-79

4.6 紊动动能与紊动耗散率79-81

4.5 本章小结81-82

第五章 大尺度泥沙颗粒周围水流特性的平面二维浅析82-110

5.1 引言82

5.2 大尺度泥沙平面二维数值模型82-90

5.

2.1 制约方程82

5.

2.2 数值求解策略82-88

5.

2.3 网格生成88-89

5.

2.4 边界条件89-90

5.3 水流动力特性数值探讨90-109
5.

3.1 模型验证90-92

5.

3.2 涡动力演化特性92-100

5.

3.3 升力与阻力系数100-109

5.4 本章小结109-110
第六章 小、大尺度泥沙颗粒周围的水流特性试验探讨110-136

6.1 引言110

6.2 物理模型试验110-113

6.

2.1 试验设置110-112

6.

2.2 试验策略112

6.

2.3 试验内容112-113

6.3 小尺度泥沙床面受扰试验浅析113-117
6.

3.1 断面流速变化113-114

6.

3.2 冲刷平衡深度和床面形态114-116

6.

3.3 能量谱变化116-117

6.4 大尺度颗粒周围的流动特性117-128
6.

4.1 流场情况117-118

6.

4.2 时均流速118-121

6.

4.3 紊动强度121-124

6.

4.4 雷诺应力124-127

6.

4.5 紊动动能127-128

6.5 EEMD-HHT 频谱浅析128-133
6.

5.1 Hilbert 边际谱129-130

6.

5.2 Hilbert 边际能量谱130-131

6.

5.3 Hilbert 瞬时能量谱131-133

6.

5.4 Hilbert 总能量133

6.6 本章小结133-136
第七章 结论与展望136-141

7.1 主要结论136-140

7.

1.1 小尺度泥沙床面136-137

7.

1.2 大尺度泥沙颗粒137-140

7.2 探讨展望140-141
参考文献141-150
发表论文和参加科研情况说明150-152
附录

一、EEMD-HHT 策略152-163

致谢163