文档介绍：水利学报
2009 年 3 月 SHUILI XUEBAO 第 40 卷第 3 期
文章编号:0559-9350(2009)03-0348-07
冰盖下冰塞堆积的数值模拟
王军,陈胖胖,江涛,吴其彰
(合肥工业大学土木建筑与水利工程学院, 安徽合肥 230009)
摘要:基于贴体坐标转换和有限体积法, 用 k-ε两方程模型模拟水体的运动, 在同位网格上使用动量插值法避免了
压力的波动。建立了冰塞面的变形方程, 并用 C 语言编写的程序对冰塞堆积进行了数值模拟计算, 对比实验室中
冰塞堆积试验的结果, 两者的吻合较好。
关键词:冰塞;冰盖;两方程模型;贴体坐标变换;有限体积法;数值模拟
中图分类号:TV143 文献标识码:A
1 研究背景
我国北方河流冬季常出现凌汛灾害, 产生的原因是由于冰塞或冰坝的出现, 河道中出现冰塞后, 过
流能力减弱, 上游水位升高, 常使上游产生凌洪灾害, 另外, 冰塞的解体溃决又会使下游产生灾害。因
此, 各国相关学者都很注重冰塞问题的研究[ 1-3] 。冰塞问题研究的方法大致可分为:原型观测、试验研
究以及数值模拟。河冰数值模拟已取得了很多的成果, 从国内外文献追踪看, 目前大部分采用一维河冰
模型[ 4 -9] , 因为它可以满足部分的工程实际需求。二维河冰数学模型除 Shen 的一些工程实际应用
外[ 10] , 世界上其他国家学者的研究和应用相对较少。
冰塞厚度确定是冰塞问题研究的一个极其重要的方面, 而国内外现有的 2 维河冰模型中, 直接对河
流冰塞厚度分布进行数值模拟的很少。
有很多学者提出过冰盖下的冰花运动和泥沙运动有很多相似的地方, 20 世纪 60 —70 年代, Pariset
[ 11] [ 12]
和 Hauser 较早的提出水内冰在冰盖下的输移和泥沙在冲积河流中的运动相似。Starosolszky 建议使
[ 13]
用类似泥沙的推移质公式描述冰盖下的输冰, 在具体问题的研究方面, Atkinson 和 Waters 使用了
Meyer-Peter 公式, 汪德胜等[ 14] 借鉴泥沙输移理论, 利用一维理论分析了黄河河曲段的输冰问题, 提出了
输冰能力的概念, 对使用不同的泥沙推移质公式计算输冰量进行了探讨。但真正借鉴泥沙输移理论对
冰盖下冰花进行冰塞堆积和侵蚀的 2 维数值模拟的研究迄今未见。
本文将采用 k-ε的两方程模型模拟水体的运动, 借鉴泥沙输运数值模拟的方法, 考虑冰盖下冰花的
输运和冰塞面变形方程, 对平衡冰塞水力堆积的厚度进行尝试性的数值模拟, 并与室内弯槽试验所得结
果进行比较, 得到了定性一致的结果, 确定了模拟计算的实效性。
2 通用微分方程
湍流工程的计算中, 以 k-ε的两方程模型应用最广, 应用手段也比较成熟。在笛卡尔坐标系下, 二
维水流湍流模型的连续性方程和动量守恒方程等都可以用以下通用方程来概括[ 15 -17] :
收稿日期:2008-01-18
基金项目:国家自然科学基金资助项目(10372028)
作者简介:王军(1962-), 男, 汉族, 安徽天长人, 教授, 主要从事河冰两相流研究。 E-mail:******@126 .com