弯道水流二维数值模拟及岸线整治的水动力学方法研究

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人类文明多发源于河谷,河流既造福于人类,又会带来洪水灾害。自然界中的河流几乎都是弯曲的,研究弯曲河流的运动规律对防洪、航运、河道岸线整治、桥梁及水利工程规划设计有着重要影响。随着计算机技术的飞速发展,人们在研究河流问题时,越来越多的采用数学模型。其中平面二维浅水模型的研究与运用己有相当长的历史,许多成果己经应用到水利、环境、港口航道等工程领域中。本文在边界拟合坐标系下建立平面二维水流数学模型,并在模型基础上提出了弯道岸线整治的水动力学方法。主要研究内容如下:1、采用边界拟合坐标变换技术,克服了河道岸线蜿蜒曲折引起的计算困难,分析对比不同形式控制函数对所生成计算网格质量的影响,提出了一种简单易行的计算变换后网格地形的插值方法,最短距离—断面梯度插值法。2、详细系统的推导了边界拟合坐标系下平面二维水流的基本控制方程,给出Yanenko型分步法和ADI方法离散求解水流控制方程的详细过程,采用Fortran语言编写程序实现以上算法。3、建立黎河西梁子河段水流数学模型,用实测资料来检验数学模型,模型吻合很好,表明了模型的正确性、合理性和有效性。4、根据二维恒定流动量方程,提出弯道岸线冲击力、剪切力的计算方法,以此为理论基础,计算黎河西梁子河段岸线应力沿程分布,提出河岸稳定性流速指标、应力指标和弯道形态稳定条件,建立河岸稳定性判别的多目标标准—河岸失稳系数,对西梁子河段岸线进行整治,并给出9种丁坝挑流护岸的设计方案,根据河岸失稳系数,选出最优丁坝设计方案。
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