输水渠道潜冰运动规律的物理模型与数值模拟研究

摘要

高纬度地区的输水渠道在冬季输水过程中,会形成冰塞、冰坝等冰情现象。这将显著的减小输水流量、抬高水位,而冰塞体的溃决会造成下游更严重的灾害。下潜至冰盖底面的冰凌称为潜冰。由于冰凌下潜和停滞是冰塞形成和发展的基础,在研究冰凌下潜临界条件的基础上,本文进一步研究潜冰运动规律,特别是停滞与启动的临界条件,对冰害的防治具有重要意义。
　　本文采用物理模型与数值模拟相结合的方法进行研究,按照重力相似准则,开展了不同水流条件和冰凌尺度的潜冰运动物理模型试验;建立了三维数值模型,分析潜冰的水动力特性,并获得了潜冰停滞与启动临界条件。具体研究内容与成果概括如下:
　　(1)选择密度接近天然冰密度的聚乙烯作为冰盖和潜冰的模型材料。对模型试验的相似准则进行了研究,按照重力相似准则对潜冰的运动状态进行了物理模型试验。通过改变冰盖下水流速度V、水深h及潜冰的形状(厚度t,长度l,宽度b)等因素,证实了潜冰的纵向启动流速大于横向启动流速。潜冰运动规律研究的关键为研究纵向状态潜冰的临界条件——停滞与启动。试验获得了潜冰临界状态的影响因素:随着相对形状t/l,相对水深t/h及相对宽度b/B的增加,潜冰的临界冰厚Froude数Ft相应减小。对不同工况下试验数据进行回归分析,得到更为准确的潜冰滑动启动临界条件的形式。
　　(2)为进一步分析潜冰的临界状态,采用数值模拟研究潜冰底面水压力的计算方法。结合Realizable紊流模型,及壁面函数对潜冰底面的文丘里效应和前缘效应进行了精准的模拟。以Larsen的物理模型试验为原型建立数值模型,获得冰盖下流速 V沿水深 h的分布情况。将数值模型输出结果与试验数据进行对比,证实模拟结果的有效性。通过分析文丘里效应和前缘效应的影响因素:冰盖下水流流速V,相对水深t/h和相对宽度b/B,得到了非全宽潜冰的文丘里效应和前缘效应的修正计算公式。在此基础上进行积分,获得了潜冰底面水压力的估算公式。
　　(3)基于对水压力、拖曳力、剪切力、有效浮力及摩擦力的研究,分析潜冰的受力平衡,获得了潜冰停滞与启动临界条件的计算公式。通过对比该计算公式与试验数据,验证了计算公式的准确性。

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第一章 绪论

1.1问题的提出

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究内容

第二章 潜冰运动的影响因素及动力平衡分析

2.1潜冰运动的影响因素分析

2.2潜冰运动的动力平衡分析

2.3本章小结

第三章 潜冰运动的物理模型试验

3.1试验相似准则

3.2物理模型试验

3.3潜冰临界启动规律研究

3.4本章小结

第四章 潜冰水动力特性的数值模拟

4.1潜冰底面压差分布的数值模型

4.2数值模型的验证

4.3潜冰底面压差分析研究

4.4本章小结

第五章 潜冰运动临界条件研究

5.1潜冰底面的水压力

5.2近壁流速

5.3潜冰运动临界条件

5.4本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢