基于水温与泥沙浓度分异的水库密度分层流动机制及其应用研究

The stratified flows of both temperature and sediment presented in deep reservoir are ubiquitous. It is difficult to simulate the flows attributing to the unclear mechanics of both temperature and sediment transport which refer to the theory of fluid mechanic, thermodynamics and sediment transport. Analysing the relations among velocity, temperature, sediment concentration and turbulent diffusion coefficient, this research focus on the mechanics of turbulence under the influence of temperature and sediment. Buoyancy force sourcing from the density difference is considered to construct the two-equation turbulent model. Moreover, the body-fitted VOF free surface water method is adopted to improve the simulated accuracy of vertical flow and to solve the ill-posed problem of open boundary. Parameters of turbulent model are calibrated using set of measurement data from flume experiments. Equations from temperature, fluid mechanic and sediment transport are coupled to build up a three dimensional multiphase numerical model. The model will be applied to predict both the distribution of temperature and sediment gravity flow of Xiaolangdi reservoir in the Yellow River.

深水水库常常呈现水温分层与泥沙异重流同时存在的流动状态。由于水温与泥沙浓度分异，导致水库密度分层流水体紊动形态及传热、传质的输运过程极其复杂，涉及了流体力学、热力学、泥沙运动力学等多门学科理论，目前对其机理认知不够清晰，很难准确把握和预测模拟。 通过研究水温与泥沙浓度分异的密度分层流对水体紊动的影响机制，探求流速、水温、泥沙浓度等参量与水体紊动扩散系数的定量关系；构建考虑浮力效应的双方程紊流模型，增加由传热、传质密度差异引起的浮力源项；采用基于贴体坐标的VOF自由水面处理方法，改进静压假定带来的垂向流动模拟结果失真及开边界解不适定问题；利用水槽实验数据实现紊流模型参数率定。在申请者开发完成的三维水温数学模型的基础上，引入上述研究成果，通过水流、水温与泥沙动力学方程联合求解，建立水流、水温及泥沙多相耦合的密度分层流模型，以黄河小浪底水库为例，实现库区水温分布及泥沙异重流输移过程的预测模拟。

本项研究利用考虑浮力效应的双方程紊流模型，模拟水温、泥沙浓度分异的水库密度层流紊动过程，准确描述流速、温度、泥沙浓度等因子对水体紊动扩散的影响，通过求解适用于水温及泥沙浓度分异的三维紊动扩散方程，构建考虑水流、水温、泥沙不同因素影响的密度分层流三维紊流数学模型。.通过在黄河水利科学研究院模型黄河基地开展的Johnson水槽试验,获取不同流量、含沙量条件下，泥沙密度分层流动的流速分布、泥沙浓度分布等数据，结合经典水温密度分层流试验的数据，对密度分层流模型的相关参数进行验证计算。.从模型试验可以看出,在泥沙密度分层流的推进过程中，密度差引起的浑水下潜和对紊动的抑制作用强烈地影响着潜流层的流动和库区内的旋涡的形成、发展和消失，同时伴随着清浑水分层的形成、发展和消失的过程，水库的流场和泥沙浓度场的变化强烈耦合。从数学模型计算可以看出，当考虑水温、泥沙浓度密度差异引起的浮力效应，构建基于k-ε的双方程紊流模型后，所建立的三维模型计算泥沙密度分层流输移过程、水库水体温度变化过程和出流水温变化过程与实验室测验数据吻合较好。.项目研究成果进一步丰富了密度分层流的基本理论，为研究多沙河流大型水库的泥沙异重流运动规律提供了技术支撑，具有重要的学术意义和应用价值。