【摘要】：泥沙顆粒的起動和輸移是泥沙運動理論以及河流動力學(xué)研究的基本問題之一,國內(nèi)外學(xué)者對推移質(zhì)輸沙公式進(jìn)行了深入研究,相關(guān)研究成果在橋墩沖刷和河床演變的數(shù)值模擬研究中廣泛應(yīng)用。作為研究泥沙運動的關(guān)鍵點之一,泥沙顆粒的受力被廣泛研究和討論。泥沙顆粒在流場中受重力、顆粒之間的相互作用力以及水流對其施加的上舉力和拖曳力的作用。顆粒的受力情況也受到流場狀態(tài),顆粒形狀,顆粒級配與顆粒間相對位置等多種因素影響。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,對推移質(zhì)輸沙率公式和床面不同位置的泥沙顆粒三維繞流模擬進(jìn)行研究,主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下:(1)采用理論推導(dǎo)研究方法,對推移質(zhì)輸沙率公式進(jìn)行理論推導(dǎo)。愛因斯坦推移質(zhì)輸沙率理論和公式得到普遍認(rèn)可和廣泛應(yīng)用,但在一些細(xì)節(jié)的處理上仍需要討論和改進(jìn),很多學(xué)者對其進(jìn)行了修正和改進(jìn),但床面泥沙隨機(jī)分布特性至今未被考慮。本文基于前人的研究,引入相對暴露度概念表示床面泥沙顆粒相對位置,基于滾動起動模型,從理論上推導(dǎo)出包含水流隨機(jī)性和泥沙相對位置隨機(jī)性的泥沙起動聯(lián)合概率公式,將其引入愛因斯坦推移質(zhì)輸沙理論,推導(dǎo)出新的輸沙率公式。經(jīng)實測資料驗證,本文輸沙率公式與實測資料符合良好。(2)采用數(shù)值模擬研究方法,基于Fluent軟件,對單顆粒泥沙三維繞流進(jìn)行數(shù)值模擬研究。分別采用大渦模擬紊流模型和雷諾平均紊流模型對光滑水槽中的單顆粒泥沙進(jìn)行了三維繞流數(shù)值模擬。比較了不同紊流模型下泥沙顆粒三維流的模擬結(jié)果,結(jié)果表明,大渦模擬能更清晰地反映顆粒受力的脈動特性,得到更真實的流場形態(tài),在各方面都優(yōu)于雷諾平均模型;(3)對組合顆粒群三維繞流進(jìn)行數(shù)值模擬研究。構(gòu)建完全暴露于粗糙床面和完全隱蔽于粗糙床面的泥沙顆粒排列形式,使用大渦模擬模型對不同流速下的三維繞流進(jìn)行計算模擬,分析了不同流速下研究顆粒的上舉力系數(shù)和拖曳力系數(shù)的數(shù)據(jù)變化規(guī)律和相關(guān)的流場變化情況。結(jié)果表明,在不同位置下顆粒的兩個系數(shù)值差異較大,且隨流速的變化趨勢各不相同。與相關(guān)的實驗和模擬結(jié)果進(jìn)行對比,本研究結(jié)果在數(shù)值上存在差異,但在變化規(guī)律上和其他研究結(jié)果可以符合。水流流過粗糙床面,形成沿水流方向的低速帶區(qū)域。低速帶區(qū)域的厚度沿水流方向逐漸增加,發(fā)展至水槽末端。隨著流速增大,低速帶呈數(shù)量增加,單寬減小的變化趨勢。此外,表層顆粒的存在會使得低速帶的形狀和空間分布更加不規(guī)則。
【圖文】：

現(xiàn)象的或然率，，是指有利于出現(xiàn)該現(xiàn)象的情況與所有可面任一顆粒泥沙來說，其沖刷外移的或然率即為其起大于阻止其起動的阻力的機(jī)遇。流中，一般認(rèn)為拖曳力、上舉力和重力是泥沙所受到的力的表達(dá)式和相對暴露度' 與暴露角θ的關(guān)系分別表示2224DDbFCDu 2224LLbFCDu '36W( )gDS 'sin 1 2 ''2cos 2 ( )：CD為拖曳力系數(shù)，取值 0.4；CL為上舉力系數(shù)，取值速； 為顆粒密度；g 為重力加速度。

上舉力系數(shù) CD拖曳力系數(shù) CL平均值 均方根 平均值 均方根試驗結(jié)果 0.398 0.154 0.302 0.077LES 模擬結(jié)果 0.282 0.01186 0.374 0.01496RANS 模擬結(jié)果 0.308 0.000898 0.125 0.0005043.7.4.2 流場對比圖-3-6 和 3-7 分別為不同紊流模型計算出的水流穩(wěn)定時的流場整體分布圖與研究顆粒處流速幅值的示意圖。對比兩組結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，大渦模擬紊流模型算例中水面上方存在空氣負(fù)向流動的現(xiàn)象，流場中水流流速發(fā)展更快；對于研究顆粒，水流到達(dá)球面后繞過球體繼續(xù)運動，在顆粒的頂部和底部產(chǎn)生了速度差：顆粒近底部流速比較小，在來流的沖擊下，顆粒上部頂點附近均存在一個流速較大的區(qū)域，球體后部流速變化較前部劇烈。雷諾平均模擬結(jié)果中，水流流速發(fā)展較緩慢，雖然顆粒頂部底部也流速差，但是和大渦模擬得出的研究結(jié)果相比，顆粒頂部與底部的流速差較小。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TV142.2

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