弯曲河道水流结构及河道演变模拟方法的改进和应用

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1、弯曲河道水流结构及河道演变模拟方法的改进和应用（申请清华大学工学博士学位论文）培养单位：水利水电工程系学科：水利工程研究生：周建银指导老师：邵学军教授二〇一五年五月ImprovementandapplicationofpredictionmethodsforflowstructureandfluvialprocessesinmeanderchannelsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementfor

2、thedegreeofDoctorofPhilosophyinHydraulicEngineeringbyZhouJianyinDissertationSupervisor:ProfessorShaoXuejunMay,2015摘要摘要天然弯曲河道的水沙输移与河道演变，是受诸多自然和人为影响的多维度、多尺度的复杂过程。在河道为连续弯曲、泥沙输运以细颗粒为主、演变受到人为干预等复杂情况下，现有方法难以准确预测弯曲河道中的水沙输运及河道演变过程。因此，本论文以预测天然弯曲河道的水流结构及河道演变为目标，对已有方法做

3、了如下四点改进：1）采用理论解析的方法，推导了考虑横比降影响的弯道出流横向流速沿程变化的解析公式，该公式能够涵盖前人未考虑横比降影响的解析公式；2）采用量纲分析与数值试验的方法，建立了考虑多个弯道几何形态参数和水流动力参数的弯道出流横向流速衰减长度的定量计算公式；3）在基于三维RANS的水沙数值计算的基础上，建立了描述浮泥运动的子模型，使得本文的水沙动力数值模型能够模拟由于细颗粒泥沙输运、淤积、汇集导致的河床演变；4）在河道蜿蜒分析模型中增加了对边界约束的考虑，使得模型能够模拟人为干扰下大时空尺度河道平面形态的

4、演变。将改进的方法，应用于连续弯道试验和天然弯曲河道，取得了以下成果：1）本文推导的解析解，比未考虑横比降的公式，更好地模拟出了连续弯道水槽试验过渡段内横向流速的沿程变化；2）揭示了前人考虑单因素的衰减长度公式的误差来源；运用本文建立的多因素的衰减长度计算公式，成功地预测了连续弯道中上游弯道环流对下游弯道流场的影响强度及范围，预估了下游弯道内环流结构的复杂度；3）采用多种湍流模型与壁面处理方法，系统而详细地评估了三维RANS模型对于连续弯道不同复杂度水流结构的模拟能力，使得此后将其应用于其它弯曲河道时，有可靠性

5、的保证；4）采用本文的水沙动力数值模型，考虑絮凝的影响，成功模拟了三峡坝前河段的三维水流结构、泥沙输运过程以及床面淤积形态的演变；5）采用河道蜿蜒分析模型，对比了多种水沙因素及人为干预对大时空尺度弯曲河道平面形态演变的影响，并以此为基础分析了天然弯曲河道的演变趋势。本文对弯曲河道水流结构及河道演变模拟方法的改进，增强了已有方法对复杂天然河流水沙运动及河道演变的模拟和预测能力。关键词：连续弯道；RANS模型；细颗粒泥沙；浮泥运动；蜿蜒模型IAbstractAbstractWaterflow,sedimenttra

6、nsportandfluvialprocessesinmeanderingriversaremultidimensional,multiscaleandaffectedbyvariousnaturaleffectsandhumanactivities.Duetocomplicatedconditionssuchasflowinconsecutivebends,transportoffinesedimentsandartificialperturbations,existingsimulationmethodsa

7、refacedwithmanydifficultiesinpredictingsuchprocesses.Thispaperisaimedatimprovingpreviousmethodsinordertobetterpredictflowstructureandfluvialprocessesinmeanderingrivers.Themainimprovementsareasfollows:1)Anewformulaisdevelopedanalyticallyfortheattenuationproce

8、ssoftransversevelocitydownstreamofabend,whichisabletoincludetheimpactoftransverseslopeofwatersurfaceinthebend;andthisformulaisabletoincludethepreviousformulawhichignoreseffectsoftransverseslopei