模型设计说明

模型设计：在3D 环境下利用CFD 数值模型计算出河道演变过程。利用水力方程和泥沙方程采用有限元网格计算法，计算出河道在近自然状态下的形态变化完成河道从初始硬直状态到蜿蜒态的模拟。选取的方程如下： 水动力方程：

()

kd k C u k C C C k C x u x u G k C G k C x k x x u t G x k x x k u t k k x u x u u u u u P x u u t u x u im im im k i i j j i j i j

j i j k i j j j ij i j j i i

j i j i ij j j i i i

i

/005.03

.10.192

.144.109.0/2132)()(1

02

34

3im 2

2122

221μεμμεεσσενεεσννεεεσννδνρδρ========⎥⎥

⎦⎤

⎢⎢⎣⎡∂∂+∂∂=-+⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡∂∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∂∂=∂∂+∂∂-+⎥⎥⎦⎤

⎢⎢⎣⎡∂∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∂∂

=∂∂+∂∂-∂∂+∂∂=''-''--=∂∂+∂∂=∂∂、边界条件：

im u 、im ε湍动能及耗散率

d 最近的壁面距离，入口流速按指数分布，垂向流速00=∂∂=z

φω，

泥沙方程：

()

(

)

)

3/12log(18//)()()(exp 1S )

(,max(053.0//0

)(L 1

95

.1309.113.95-1.2

-0.8/)()(s 902

,,3

1

2

503.05

.150b 3

.01

.25.150

2

222

s 2

d R C C

g T g d D aD T d k s z w S S s s w E D y q x

q E D t z y x L L D T

d g q u u u q q u u u q q y q x q D E q q d d d w s w z

x s x s u x t b b b b b cr

b cr b b s b k s b b

c b s b b by bx b b b

s

s s s bk y

x y bk bky y x x bk bkx bky bkx b b bk bk k k s k sk s s

i s k sk j k s j k j j k b

==

='-'

=-==⎥

⎦⎤

⎢⎣

⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡---+=-=-⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂--=∂∂∆∆=-=+=+==⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂+-+---+⎥⎦⎤⎢⎣

⎡==+=∂∂

+∂∂∂∂=∂∂+∂∂**

*****αταττττνρρρδεππγγγγνρρρνσσννεερ悬移质近底挟沙力：悬移质下界面含沙量：河床变形：非平衡推移输沙方程：悬沙输移方程：

边界条件：悬移质浓度、推移质输沙率为0.且0=∂∂+z

s w k

s

sk ε y x ∆∆、是划分网格的尺寸。

在这些方程的基础上，采用有限元网格法完成如下图的演变过程：

水流的初始速度定成0.2m/s，河道宽2.5m,河长40m,水深0.5m,d50和d90分别为0.3mm和0.36mm,时间72小时内河道的变化。

模型的目的：以所采用的模型为基础形成一个体系，即如果他人也需要做河道演变的相关内容，套用程序修改参数就可完成研究。