分层水库异重流数值模拟及水质响应预测

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1、西安建筑科技大学硕士学位论文分层水库异重流数值模拟及水质响应预测专业：建筑与土木工程硕士生：余伟宾指导教师：孙昕教授摘要暴雨径流携带大量泥沙和污染物，进入分层水库后会形成异重流。本文基于自行设计的小尺寸模型水库，运用商业仿真模拟软件Fluent，对分层水库异重流的运动和泥沙浓度分布进行数值模拟。主要结论如下：（1）固定上层出口位置、入流速度0.005m/s、进口泥沙浓度1.25g/L和3.75g/L条件下，分别采用二维和三维欧拉模型与混合模型对异重流进行数值模拟，对比各个时刻、各个断面的泥沙浓度及温度的模拟值与实测值；在此工况条件下，欧拉模型和混合模型都能较好地模拟分层

2、水库异重流；在一定范围内，网格数量的增加能够明显提高计算精度，而网格数量过大会增加计算耗时；三维模拟结果明显优于二维模拟结果，可以多角度观测异重流的运动形态，更接近实际情况；结合计算精度和运算经济性，混合模型更适合本文的分层水库异重流的数值模拟；（2）数值模拟结果表明，保持入流速度和出口位置不变情况下，当异重流以间层流的形式运动时，行进过程中水体依旧维持着温度分层状态；当异重流以潜流的形式运动时，水体的分层结构会被部分破坏；异重流前行过程中，其头部速度越来越小；进口浓度越大，间层流在垂向上的扩散越严重，异重流分离点、间层流厚度越大；（3）保持进口泥沙浓度不变，间层流的位

3、置随着出口位置的下降出现下移；出口在上层时，温跃层的位置基本没变化，出口在中层、下层时，温跃层出现下潜，且位置越往下，下潜越严重；随着异重流的运动前行，不断与背景水体进行热交换，水库上部的水温不断下降，下部水温不断上升；出口位置的改变对异重流分离点、间层流厚度影响不大；上层出口时异重流头部速度最大，下层出口位置异重流头部速度最小。关键词：分层异重流；数值模拟；欧拉模型；混合模型；出口位置西安建筑科技大学硕士学位论文本研究得到国家自然科学基金面上项目（51178379/51278404）；陕西省科技统筹创新工程计划项目（2015KTCL03-15）；教育部高等学校博士学科

4、点专项科研基金（20106120120012）的资助。西安建筑科技大学硕士学位论文NumbericalsimulationofdensitycurrentsinthermallystratifiedreservoirandwaterqualitypredictionSpecialty:ArchitectureandCivilEngineeringGraduate:YuWeibinSupervisor:Prof.SunXinAbstractThestormrunoffcarryplentyofsedimentandpollutants,andcandeveloptoden

5、sitycurrentswhenitenterastratifiedreservoir.Inthisstudy,asmallscaleself-designedmodelreservoirwasused,thedensitycurrentsanddistributionsofsedimentconcentrationinstratifiedreservoirswerenumericallysimulatedwithacommercially-availablesoftware-Fluent.Mainconclusionsareasfollows:(1)Fixingthe

6、upperoutlet,inflowvelocityof0.005m/s、inflowsedimentconcentrationsof1.25g/Land3.75g/L,densitycurrentswerenumericallysimulatedwithtwo-dimensional(2D)andthree-dimensional(3D)EulermodelandMituremodel,simulatedandmeasuredsedimentconcentrationandwatertemperaturewerecomparedatdifferenttimesunde

7、rvariousconditions.Undertheseoperationalconditions,densitycurrentscouldbewellsimulatedwithbothEulermodelandMituremodel.Withinacertainrange,increasinggridnumbercanimprovetheprecisionofsimulatedresults,butoversizegridmayincreasethesimulationcost.3Dsimulatedresultsarebettert