热力与水力条件耦合的河流冰塞数值模拟

北方寒冷地区河流冬季常因冰塞出现形成凌洪灾害。围绕冰塞的形成演变，国内外展开了大量的试验研究、数值模拟和原型观测等。在数值模拟方面，现有的模型基本是一维或两维，虽然在模型中包括有水动力方程以及温度输运方程等，但在热力和水力条件耦合方面尚待研究。河流从封冻、初始冰塞形成、稳封期水内冰花的输运乃至开河和开河期的冰塞体溃决，都是水力、热力及力学平衡综合作用的结果。从国内外文献检索看，对冰塞（或冰盖）的形成演变，或基于力学平衡或基于热力消长，在水力、热力条件耦合作用分析及区分在冰塞形成过程中两者的作用方面似较欠缺。.拟在分析现有模型基础上，提出热力、水力条件相耦合并以力学平衡校核的数学模型并进行模拟，以稳封期冰盖、冰塞和冰花输运为研究切入点，以多相流理论、传热理论和水动力学理论为基础，研究坚冰盖的热力消长、冰塞面的水力侵蚀、冰花输运和固液相之间的作用。依托稳封期研究，向初始冰塞及开河冰塞辐射。

基于上一轮国家自然基金资助试验研究成果，通过与国际上现有相关试验研究成果的分析比较，明确了一些相互一致的规律和结论，不过，现有的结论尚存在一处分歧，即许多国外学者认为冰塞厚度随着水流强度的增大而增加，本课题组试验结果则表明这一规律并不明显。.采用模型试验方法，在不同水力条件和边界条件下，对水流速度分布及冰盖下冰花颗粒的启动进行了试验研究。通过对试验成果的分析总结，建立了冰盖下冰花启动时，剪切雷诺数和无量纲剪切应力之间的关系，并与冰盖下泥沙颗粒启动的类似结论进行了对比分析。.基于弹塑性力学理论，将冰体视作为弹塑性材料，同时耦合分析水力与热力条件的影响作用，得到了基于塑性破坏的武开河应力判别式，实例应用计算表明：相比于仅考虑冰体发生弹性变形，该判别式能够更好地消除判别误差，因而具备更好的实效性。.基于多相流理论及传热学理论，建立河渠垂向二维数值模型模拟分析了冰盖下冰花浓度分布以及冰盖热力增长的一般规律。计算结果表明：水流流速越大、冰花颗粒尺寸以及上游来冰量越大，冰花沿垂向分布范围越大；入口流速越小、气温越低、水深越小、风速越大、入口冰花浓度越大，则形成的冰盖厚度越大，其中流速与水深的影响作用较为显著。.借鉴泥沙运动理论建立了冰塞面变形方程，建立了天然河道平面两维和坚冰盖下实验室三维冰塞堆积数学模型，且模拟效果良好。利用计算机编程技术，形成了稳封期河道冰塞堆积的模块化数值模拟系统，可较好的完成天然实践中的平衡冰塞数值模拟工作。.采用三维数值模拟技术，对桥墩影响下冰盖下冰花浓度场进行了数值模拟与分析。结果表明：水流流速增加后桥墩对冰花浓度场的影响范围显著增加；而冰花颗粒尺寸和入口冰花浓度变化时，桥墩对上游冰花浓度场的影响范围无明显变化，而对下游上层水体的影响范围随着颗粒尺寸增大或入口冰花浓度增大而减小。