挾沙水流數(shù)學(xué)模型的研究與實踐

前言

20世紀50年代以來，隨著科學(xué)技術(shù)的進步和計算機技術(shù)的發(fā)展，計算流體力學(xué)逐漸成為一門獨立的學(xué)科。水流泥沙數(shù)學(xué)模型作為河床變形定量預(yù)測的重要手段日益受到重視，目前長河段、長時間的一維和水深平均的平面二維泥沙數(shù)學(xué)模型已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，三維泥沙數(shù)學(xué)模型發(fā)展也較快，在水利工程的規(guī)劃、設(shè)計、運營中發(fā)揮著越來越大的作用。由于很多大江大河的平面尺度遠遠超過垂向尺度，物理量沿水深方向的變化在許多情況下不是重點考查的對象，與三維數(shù)學(xué)模型相比計算又大大簡化，因此水深平均的平面二維泥沙數(shù)學(xué)模型有著獨特的優(yōu)點，是目前應(yīng)用最為廣泛的數(shù)學(xué)模型。在泥沙數(shù)學(xué)模型應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)已有的二維數(shù)學(xué)模型大多只適用于計算少沙河流，多沙河流數(shù)學(xué)模型落后于清水和少沙河流數(shù)學(xué)模型的發(fā)展，其主要原因是對多沙河流的一些重要參數(shù)、適用公式和處理方法等認識不夠深入，同時在數(shù)學(xué)模型中如何體現(xiàn)多沙河流特殊的演變規(guī)律也存在較大爭議。例如：高含沙洪水和低含沙洪水在汛期往往交替發(fā)生，在數(shù)值模擬中如何選用適宜的流變方程；高含沙洪水的挾沙能力具有“多來多排”和形成“漿河”等特點，使數(shù)學(xué)模型中應(yīng)用的挾沙力公式易與實際不甚符合；多沙河流大都擁有散亂型流路，主流在寬廣的大堤內(nèi)擺動游蕩，往往灘槽區(qū)分并不明顯，還有可能形成“二級懸河”，使得斷面概化困難；對很多系數(shù)和處理方法存在較大的爭議，如流場與沙場是否應(yīng)耦合計算、收斂判斷條件、計算時段選取規(guī)則等，尚無定論，特別是對恢復(fù)飽和系數(shù)的取值爭議很大。我國西北和華北一些地區(qū)河流汛期含沙量都比較高，因此對多沙河流的平面二維數(shù)學(xué)模型進行進一步研究是很有必要的，本書的上篇“多泥沙河流平面二維泥沙數(shù)學(xué)模型”即進行了這方面的研究工作。二維泥沙數(shù)學(xué)模型只能反映平面上水沙因子的變化，而河流的彎曲和分汊是自然現(xiàn)象，環(huán)流結(jié)構(gòu)及其引起的泥沙輸移是河流水沙運動的重要特征，水利工程建筑物（如丁壩、橋墩等）附近水流三維特征十分明顯。因此，隨著計算成本的降低，建立三維泥沙數(shù)學(xué)模型是水流泥沙數(shù)值模擬的發(fā)展方向，其優(yōu)勢不可替代。在應(yīng)用壓力一速度場迭代求解的方法進行三維水沙數(shù)值模擬時，由于控制方程組的高度非線性特性、初始設(shè)定的壓力場和速度場協(xié)調(diào)性及流速分量非對稱性等原因，計算過程容易發(fā)散；同時自由水面的確定一直是一個較難的課題，以前的方法，如靜水壓力分布假定和“剛蓋假定”，或是采用一階迎風(fēng)格式來計算自由水面高程，或者是求解二維壓力Poission方程等方法，在計算中都沒有考慮動水壓力的影響，因而存在一定的局限性；三維泥沙數(shù)學(xué)模型中泥沙擴散系數(shù)的取值，也有多種說法。因此，作為發(fā)展中需要克服的困難，三維泥沙運動數(shù)值模擬中還有很多問題需要深入探討。

內(nèi)容概要

　　《挾沙水流數(shù)學(xué)模型的研究與實踐》針對水流泥沙數(shù)學(xué)模型發(fā)展過程中遇到的關(guān)鍵性的技術(shù)難題，采用理論分析和實際編程計算相結(jié)合的方法對它們進行了研究。根據(jù)研究內(nèi)容分為上篇、中篇、下篇。其中：上篇主要對多沙河流的一些重要參數(shù)、適用公式和處理方法等進行了研究，建立了多泥沙河流平面二維泥沙數(shù)學(xué)模型，并對在數(shù)學(xué)模型中如何體現(xiàn)多沙河流特殊的演變規(guī)律也進行了研究；中篇主要對計算過程收斂性、自由水面的確定、泥沙擴散系數(shù)的取值等進行了研究，建立了二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型，并進行了初步驗證；下篇搭建了黃河治理人工智能體系的理論框架，介紹了與之有關(guān)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、中常洪水的演進方法、河道沖淤平衡水沙關(guān)系的部分研究成果。　　《挾沙水流數(shù)學(xué)模型的研究與實踐》可供泥沙與河流動力學(xué)、水利、水文、地理、防洪減災(zāi)等專業(yè)的規(guī)劃、設(shè)計、科研、管理人員以及高等院校師生閱讀和參考。

書籍目錄

前言上篇 多泥沙河流平面二維泥沙數(shù)學(xué)模型第一章 緒論第一節(jié) 問題的提出第二節(jié) 泥沙運動規(guī)律研究進展第三節(jié) 泥沙數(shù)學(xué)模型研究進展第四節(jié) 本書的研究思路及主要內(nèi)容第二章 多沙流體流變方程和挾沙力公式的選用第一節(jié) 模式分類的依據(jù)和實施第二節(jié) 對賓漢剪應(yīng)力的BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果與分析第三節(jié) 二元均勻流挾沙力的BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果與分析第四節(jié) 天然多沙河流數(shù)學(xué)模型中挾沙力公式的選用第五節(jié) 本章小結(jié)第三章 多沙河流河床斷面概化的研究第一節(jié) 河床斷面概化的意義和已有方程第二節(jié) 多沙河流斷面形態(tài)補充方程的建立和驗證第三節(jié) 斷面概化方法的應(yīng)用步驟第四節(jié) 本章小結(jié)第四章 多泥沙河流水深平均的二維泥沙數(shù)學(xué)模型第一節(jié) 水流泥沙運動的控制方程第二節(jié) 計算定解條件第三節(jié) 計算步驟第四節(jié) 平面二維水流數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用第五節(jié) 泥沙模塊計算時所用公式和參數(shù)的選取第六節(jié) 模型的驗證第七節(jié) 本章小結(jié)中篇 三維水流泥沙數(shù)學(xué)模型研究第五章 三維水沙運動的控制方程與求解第一節(jié) 水流控制方程和壓力項分解第二節(jié) 水流控制方程離散與求解第三節(jié) 泥沙輸運方程第四節(jié) 定解條件第五節(jié) SIMPLE格式發(fā)散的原因及改進方案第六節(jié) 不同步修正的實施和優(yōu)點第七節(jié) 不同步修正避免計算發(fā)散的實例第八節(jié) 本章小結(jié)第六章 自由水面的確定第一節(jié) 考慮動水壓力梯度的自由水面計算第二節(jié) 垂線平均流速的確定第三節(jié) 引入動水壓力梯度與無動水壓力梯度的計算對比第四節(jié) 本章小結(jié)第七章 三維水流泥沙數(shù)學(xué)模型計算實例第一節(jié) 三維水流模型在計算明渠流中的應(yīng)用第二節(jié) 三維水流模型在計算復(fù)式斷面中的應(yīng)用第三節(jié) 挖人式港池內(nèi)流場的數(shù)值計算第四節(jié) 三維泥沙數(shù)學(xué)模型計算實例第五節(jié) 本章小結(jié)下篇 黃河治理開發(fā)中的實用泥沙數(shù)學(xué)模型第八章 黃河治理開發(fā)中的人工智能體系第一節(jié) 人工智能理論第二節(jié) 人工智能概述第三節(jié) 人工智能體系在治黃中的應(yīng)用第九章 黃河與渭河下游河道人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型第一節(jié) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型特點第二節(jié) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在黃河下游的開發(fā)及應(yīng)用第三節(jié) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在渭河下游輸沙水量研究中的應(yīng)用第十章 多泥沙游蕩河道中常洪水的演進方法第一節(jié) 研究方法的由來第二節(jié) 洪水劃分第三節(jié) 洪水演進第十一章 黃河下游河道沖淤平衡水沙關(guān)系初步研究第一節(jié) 花園口斷面平衡含沙量的影響因素分析第二節(jié) 花園口斷面平衡含沙量的函數(shù)關(guān)系第十二章 主要結(jié)論及研究展望第一節(jié) 主要結(jié)論第二節(jié) 研究展望參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：Li模擬寬闊水域有橫向流時傾倒泥沙的淤積形態(tài)。將控制方程分解為三個部分：對流過程、擴散過程和壓力傳播過程。計算得出了兩種不同的床面形態(tài)，并對其成因進行了分析。Wu等發(fā)展的三維泥沙數(shù)學(xué)模型，其自由水面是求解沿水深方向平均的明渠流二維Poisson方程得到的，該方程由沿水深平均的二維動量方程導(dǎo)出。用該模型計算180。彎道的泥沙輸移情況，同時包含推移質(zhì)和懸移質(zhì)，結(jié)果與實測值比較一致。Fang等在正交曲線坐標系下，利用兩相流張量分析法導(dǎo)出控制方程，在給定自由水面和河底邊界條件下求解。計算得到的三峽工程建成后運行若干年后的河床形態(tài)，與清華大學(xué)物理模型試驗結(jié)果十分相似。陸永軍根據(jù)紊流隨機理論，建立三維紊流泥沙數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用于三峽工程壩區(qū)泥沙沖淤問題研究中，預(yù)測了三峽工程建成后壩區(qū)上游河段泥沙沖淤發(fā)展過程及其分布，河床淤積物級配及不同時期、不同高程的流場、含沙場等，計算結(jié)果與清華大學(xué)、長江科學(xué)院、南京水利科學(xué)研究院物理模型試驗值比較接近。夏云峰建立三維非交錯網(wǎng)格水流泥沙數(shù)學(xué)模型，采用擬合曲線坐標和垂向標變換，用動量插值方法計算交界面流速以避免波狀壓力場，由壓力校正法求解壓力一速度耦合問題，成功模擬了長江南京河段水流泥沙運動，結(jié)果可靠。馬福喜用具有浮力特性的k-s紊流模型研究水中拋沙時床面淤積特性，用破開算子法將控制方程分為對流項、擴散項和源項三部分，用有限差分法對控制方程求解。通過8組不同的水流泥沙條件計算，表明不同的水沙組合可在床面形成兩種不同類型的淤積形態(tài)：橢圓型和分汊型，結(jié)果與實測結(jié)果吻合良好。迄今為止，三維水流數(shù)學(xué)模型已有不少研究，而三維泥沙數(shù)學(xué)模型相對較少，且發(fā)展比較緩慢，主要原因有：泥沙基本理論不成熟；三維泥沙數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜；缺乏驗證資料等。盡管三維泥沙數(shù)學(xué)模型十分復(fù)雜，難度很大，但由于它能提供全流場完整的三維信息，應(yīng)進行進一步的研究。五、水流泥沙數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)難點和發(fā)展方向河道泥沙數(shù)值模擬關(guān)鍵技術(shù)難點有：懸移質(zhì)挾沙力問題；懸移質(zhì)、推移質(zhì)和床沙相互交換問題，以及由此而引起的床沙粗、細化問題；推移質(zhì)輸沙問題；回流淤積問題；大壩下游河床下切和河道展寬問題；阻力問題；在數(shù)學(xué)模型中如何體現(xiàn)多沙河流特殊的運動特點等。為推動泥沙數(shù)學(xué)模型的研究和應(yīng)用，應(yīng)在以下幾個方面開展工作：由于高含沙水流的數(shù)值模擬涉及的難點較多，包括理論認識的不深入和實際數(shù)學(xué)模型計算中如何體現(xiàn)其運動規(guī)律存在爭議，需要對多沙數(shù)學(xué)模型作進一步研究；在應(yīng)用壓力一速度場耦合求解的方法進行三維水流數(shù)值模擬時，由于控制方程組的非線性特性，迭代求解過程容易發(fā)散，同時自由水面的確定一直是一個比較困難的問題；三維泥沙數(shù)學(xué)模型中泥沙擴散系數(shù)的取值也沒有確定的結(jié)論。本書將對數(shù)學(xué)模型發(fā)展中遇到的這些問題進行研究。泥沙數(shù)學(xué)模型發(fā)展中還應(yīng)當考慮的問題有：①針對工程中的各種問題進行泥沙數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用，以總結(jié)經(jīng)驗，完善模型，不斷推廣；②高效數(shù)值方法研究；③加強原型觀測；④開展模型的后處理及軟件的商品化研究。

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《挾沙水流數(shù)學(xué)模型的研究與實踐》是由黃河水利出版社出版的。

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