YD 多相流混合模型应用于低含沙水流的数值模拟研究

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ABSTRACT
NUMERICAL SIMULATION CONCENTRATION
OF LOW--SEDIMENTMODEL FLOW
FLOW USING MIXTURE
OF MULTIPHASE
Subject: Hydraulics and Fluvial Hydrodynamics Author: Xie Yanfang Adviser: Prof. Chen Gang
1.2.1 理论研究
理论研究是建立在经典力学理论的基础上，通过研究作用在物体上
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西安理工大学硕士学位论文
的力，对研究对象的运动进行理论分析，并建立基本方程式的一种方法。 应用这种方法对泥沙运动进行研究取得了许多成果。 倪晋仁等分别从低浓度【2】和高浓度【3】固液两相流中固相和液相的相 互作用着眼，从基本的动量方程和连续方程出发，将悬浮固体颗粒的存 在视为对相同流动条件下清水紊流的摄动，引入摄动分析的理论，并通 过动量方程直接得出了悬移质泥沙浓度分布规律。樊社军 【4】等用多尺度 摄动方法从理论上推导了波浪边界层中细颗粒粘性泥沙的再悬浮和扩散 输移的规律，并指出：在近岸及湖泊地区，波浪不仅是细颗粒粘性泥沙 再悬浮的主要动力，而且其引起的泥沙扩散输移的强度和风生流相当。 曹文洪【5】等将湍流猝发理论用于潮流与波浪共同作用下的挟沙能力研究， 得出了物理概念清晰和充分考虑床面附近泥沙交换力学机理的挟沙能力 公式，将泥沙颗粒从床面扬起的过程概括为三种途径和模式，较好地解 释了淤泥质河口海岸泥沙一经起动立即进入悬浮状态的现象。另外，他 们通过对灰色系统理论
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西安理工大学硕士学位论文 experimental results is same along with sediments whose diameters are smaller and bigger increased in the flow , but is different along with sediment increased whose diameters are between both kinds above．Then, two kinds of flow whose concentration was same carried sediments with different diameters were simulated, the qualitative analysis of distributing of sediments was done and considered reasonable．So, the mixture model for multiphase flow was considered that it can simulate characters of the flow carried sediments to some extend． The flow and movement of sediments of Yazidang Reservoir were simulated with the model for one phase flow and the mixture model for multiphase flow．And distribution in the reservoir and volume fraction at the outlet of sediments with different diameters were displayed．From the computational result, it was the conclusions that sedimentation is more obvious, the capability of the flow carrying sediments becomes weaker, and sediments filled up easier when the diameter of sediments becomes bigger．
【 1】
。而研究泥沙输移及
分布规律是解决这些问题的前提和条件。多年来人们对此问题作了多途 径的探索，取得了大量的研究成果，但无论是在理论上，还是在实际应 用上，远未达到完美的程度。因而进一步展开对泥沙输移及分布问题的 研究是非常必要的。
1.2 水流中泥沙运动问题的研究现状
近几年来国内外许多学者通过理论研究、现场调查、实验室分析实 验、遥感遥测、放射性同位素示踪、数学模拟等多种先进技术和方法， 对水流中泥沙输移及分布问题进行了一系列的研究，对其特征和变化规 律的认识不断得以深化，在许多方面都取得了显著进展。
西安理工大学 硕士学位论文 多相流混合模型应用于低含沙水流的数值模拟研究 姓名：谢艳芳 申请学位级别：硕士 专业：水力学及河流动力学 指导教师：陈刚;王颖 20050301
摘要Βιβλιοθήκη 多相流混合模型应用于低含沙水流的 数值模拟研究
学科：水力学及河流动力学 作者：谢艳芳 导师：陈 刚 王 颖 教授 副教授 答辩日期：2005.3 作者签名： 导师签名： 导师签名：
Key words： mixture model for multiphase flow, low-sediment-concentration flow,
distribution of sediments, volume fraction, numerical simulation
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主要符号表
摘
要
自然界的河流中常常携带着泥沙，这不仅给生产带来一系列的问题，也引起了 很多的环境问题。而研究泥沙运动及分布规律是解决这些问题的前提和条件。多年 来人们对此问题作了多途径的探索，取得了大量的研究成果，但远未达到完美的程 度。因而进一步展开对泥沙运动及分布问题的研究是非常必要的。近几年来紊流数 值模型及多相流理论在泥沙输移及分布计算中开始应用，但尚不多见。本文将从多 相流理论出发，探讨多相混合模型在低含沙水流中的应用。 论文首先对研究过程中所用到的单相流和多相流混合模型进行了必要的介绍， 并对所用的计算软件及模型所采用的数值方法作了说明和选择。 其次，采用了在玻璃水槽中进行的低含沙水流实验对模型进行了验证。模型对 分别携带三类泥沙颗粒的水流进行了模拟。 通过对水槽中部横截面处挟沙水流的流 速和紊动强度的计算值与实验结果对比可知：流速的计算值与实测值相差不大；随 着水流中极细颗粒和较粗颗粒的增加，紊动强度计算值的变化趋势同实验结论相 同，但对于中径颗粒的增加，紊动强度的计算值却没有反映出实验中所存在的制紊 现象。然后进一步在浓度相同的两种水力条件下，对不同粒径泥沙加入后的水流结 构及泥沙分布状况进行了模拟计算，并对水流中的泥沙分布作了定性分析，认为其 结果符合一般规律。 经上分析认为该多相流混合模型在一定程度上可以反映挟沙水 流的性质和状况。
主要符号表
ui 单相流中直角坐标系下的速度分量， m / s 单相流的密度， kg / m 3 多相流中直角坐标系下的混合速度分量， m / s 多相流的混合密度， kg / m 3 扩散速度， m / s 相对速度， m / s 第 k 相的体积分数 广义剪切应力, N / m 3 扩散应力, N / m 3
2 紊动能, m
ρ
u m ,i
ρm
u Mk u Ck
αk τ Gm τ Dm
k
s2 s3
ε
2 紊动耗散率, m
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１绪
论
1 绪论
1.1 研究背景
自然界的河流中常常携带着泥沙，这会给生产带来一系列的问题， 如防洪问题、水库及河口的淤积问题、对水工建筑物的磨损问题等。近 年来泥沙运动引起的环境问题也逐渐引起了很多研究者的重视，如水土 流失将引起面源污染，河流疏浚将引起污染物释放，同时加大或减小污 染物的运送速度，因而对上下游的水质将有不同的影响。又如筑坝建库， 将改变下游河道的水文特征、河道特征，引起下游河道排污能力的显著 变化，库区淤积，将使下游来沙量减少，减少下游河道营养物的来源同 时库区淤积物也会引起水质的一系列变化，等等
experimental results of velocity and turbulent intensity at cross section in the middle of flume, some results are concluded: the computational results of velocity of flow coincide well with the measured data; the variational trend of turbulent intensity computational and
李义天30鉴于神经网络具有很强的处理大规模复杂非线性动力学系统的能力将神经网络理论应用于河道水沙运动规律的模拟与预报以期识别水流泥沙运动变化过程与其影响因子之间的复杂非线性关系为河道水沙模拟和预报提西安理工大学硕士学位论文供一条新的方法和途径并认为神经网络模型在水沙因素选择方面较回归模型简单又较成熟的数学理论基础而回归模型数学表达直观易于理解
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西安理工大学硕士学位论文 最后利用单向流模型和多相流混合模型模拟了鸭子荡水库的水流及泥沙运动 状况，显示了不同粒径的泥沙颗粒在水库中的分布情况以及出口处泥沙的体积分 数。由计算结果可知，随着泥沙粒径的增大，泥沙沉降越明显，水流挟沙能力相对 越弱，泥沙越易在上游淤积，出口处的泥沙越少。
关键词 ：多相流混合模型 低含沙水流 泥沙分布 体积分数 数值模拟
Associate Prof.Wang Ying
Date: 2005.3
Signature: Signature: Signature:
ABSTRACT
Sediment transport in river not only brings trouble with production, but also with environment． Studying movement and distribution of sediment in the flow is precondition to solve the problem．Sediment transport has been studied by a lot of researchers, and a great deal of research results have been obtained, but it is not perfect． So, it is necessary to further study movement and distribution of sediments in the flow．In last years, the theory for multiphase flow, which combines turbulence model, was applied to the sediment transport, but infrequent．From this aspect, the application of the mixture model for multiphase flow to the flow at low sediment concentration would be studied in this thesis． In the thesis, the model for one-phase flow and the mixture model for multiphase flow used were be introduced, and computational software was explained and numerical methods were chose． The model was validated by comparing with experiment’s result of sediment-carried water at low sediment concentration in flume. The flow carried sediments with three different diameters respectively was simulated. After comparing computational dates and