基于cfddem耦合模擬方法的水流泥沙運動研究(1)

1、基于CFDDEM耦合模擬方法的水流泥沙運動研究運動針冗InvestigationofFluidSedimentParticleMotionBasedonCFD—DEMCouplingSimulationMethodUlatlonO學科專業(yè)：水利工程研究生：蘇東升指導教師：張慶河教授天津大學建筑工程學院二零一五年十二月一夸一直牛T一月摘要水流泥沙運動一直是河流與海岸工程關(guān)注的重點課題，前人采用實驗研究和理論分析等方法對于水流泥沙宏觀運動規(guī)

2、律己形成了基本認識，但水流泥沙的細觀運動機理還有待探索。隨著近年來計算機技術(shù)及計算方法的快速發(fā)展，利用數(shù)值模型從細觀尺度研究水流泥沙運動機理及規(guī)律成為可能。本文基于CFDDEM耦合方法，利用開源軟件OpenFOAM、LIGGGHTS及CFDEM耦合庫建立數(shù)值模型，從細觀尺度研究了靜水中泥沙沉降、明渠流及振蕩流作用下水流泥沙運動特性。本文主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：(1)通過模擬單個泥沙顆粒在靜水中的沉降過程，分析了所建耦合模型的網(wǎng)格敏感性，

3、對于粒徑較小的顆粒，推薦流體的網(wǎng)格尺度與顆粒直徑的比值范圍為2～5；將采用不同拖曳力模型得到顆粒沉速與理論值對比，發(fā)現(xiàn)Benyahia模型具有較好的精度；模擬了不同直徑泥沙顆粒的沉速，模擬結(jié)果與實驗值與理論值吻合良好，驗證了所建模型的適用性；探討了不同體積濃度下顆粒沉速的分布，結(jié)果與實驗值接近。(2)模擬了不同明渠水動力條件下的水流泥沙運動過程。模擬得到的水流平均流速剖面符合對數(shù)律公式，驗證了動力條件的正確性，并分析了水流紊動強度與雷諾

4、切應(yīng)力沿垂向的變化。模擬結(jié)果給出了泥沙表現(xiàn)為未起動、推移質(zhì)輸沙和推移質(zhì)與懸移質(zhì)共同輸沙的運動形式，推移質(zhì)輸沙率與實驗、理論值吻合；隨著水動力的增強，床面泥沙分布的不均性呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律。(3)振蕩水流作用下定床和動床條件下的模擬結(jié)果表明，定床和動床的流速剖面與紊動強度分布不同。在對稱振蕩流作用下，泥沙顆粒做規(guī)律的周期性運動，一個周期內(nèi)的泥沙凈輸沙接近為零，半周期平均輸沙率與己有實驗及經(jīng)驗公式接近。關(guān)鍵詞：CFD—DEM耦合模型流體