含淹没刚性植被水流特性实测及格子Boltzmann方法数值模拟研究

论文摘要

格子Boltzmann方法(LBM)是近三十年发展起来的基于流体建模的介观模拟方法。与计算流体力学中的其他方法相比,具有适用于并行计算和边界易于处理。现在LBM已经广泛地应用于多孔介质内流动与传质、多相多组分、界面动力学、化学反应与传递等领域,同时格子Boltzmann方法在磁流体、晶体生成、相变过程等方面也具备非常大的潜在应用前景。含植被水流特性一直是人们热切关注和研究的问题,改变整个生态系统以及影响人类生活,所以研究含植被水流流动问题,了解水流流速等变化规律变得极其重要。本文主要工作是运用格子Boltzmann方法对含淹没刚性植被水流问题进行数值模拟。首先在三维粒子速度D3Q19模型中加入外力项,采用启发式格式对流体模型的复杂边界条件和角点进行处理。其次所建立模型对经典数值模拟案例方腔流进行模拟,通过选取不同的雷诺数以及采用单松弛与多松弛格式进行对比分析,从而验证了模型的可行性。然后为了与模拟结果的定性规律进行对比,本文做了关于含淹没刚性植被水流的试验,用三维激光多普勒测速仪对水位、流速等进行了测量,通过分析实验结果,总结了一系列规律。最后,用多松弛格式D3Q19模型对含一个、一排和多排植被的水流实验进行模拟,其中多排植被水流模拟的模拟工况与实验工况相同,均为植被全覆盖平行排列、全覆盖交错排列、中间无植被平行排列和中间无植被交错排列四个工况,每个工况选取了四种水深淹没度。模拟结果在定性规律上与实测结论基本吻合。本文通过一系列工作,较好地利用D3Q19模型对含植被水流进行模拟,模拟结果贴切地展示了植被附近的水流状态,从而为河道水流管理和水流生态系统修复等问题提供了强有力的理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 格子Boltzmann方法的起源与发展
•     1.2.1 格子Boltzmann方法的起源
•     1.2.2 格子Boltzmann方法发展
•   1.3 主要研究内容及意义
•     1.3.1 主要研究内容
•     1.3.2 含植被水流数值模拟现状
•     1.3.3 主要研究意义
• 第二章 格子Boltzmann方法的基本理论和模型
•   2.1 格子Boltzmann方法的基本理论
•     2.1.1 气体动理论
•     2.1.2 Boltzmann方程
•     2.1.3 BGK近似
•     2.1.4 格子Boltzmann方程
•   2.2 格子Boltzmann方法的D3Q19模型
•     2.2.1 单松弛（LBGK）格式
•     2.2.2 多松弛（MRT）格式
•   2.3 含外力项的D3Q19模型
•     2.3.1 LBGK格式
•     2.3.2 MRT格式
•   2.4 D3Q19模型的边界条件处理
•     2.4.1 左边界
•       2.4.1.1 半反弹格式
•       2.4.1.2 非平衡态反弹格式
•     2.4.2 右边界
•       2.4.2.1 外推格式
•       2.4.2.2 非平衡态反弹格式
•       2.4.2.3 质量修正格式
•       2.4.2.4 充分发展格式
•     2.4.3 上边界
•     2.4.4 固壁边界
•     2.4.5 混合边界
•       2.4.5.1 棱上未知分布函数
•       2.4.5.2 角点未知分布函数
•   2.5 本章小结
• 第三章 方腔流数值模拟
•   3.1 工况设计
•   3.2 相同雷诺数不同离散速度模型对比
•   3.3 LBGK模型不同雷诺数对比
•   3.4 MRT模型不同雷诺数对比
•   3.5 相同雷诺数不同松弛模型对比
•   3.6 MRT模型不同方向流速分布对比
•     3.6.1 x方向流速分布对比
•     3.6.2 y方向流速分布对比
•     3.6.3 z方向流速分布对比
•   3.7 本章小结
• 第四章 含淹没刚性植被水流特性实验研究
•   4.1 实验概况
•     4.1.1 实验装置
•     4.1.2 实验工况
•     4.1.3 实测位置
•   4.2 试验结果及分析
•     4.2.1 植被区水力要素实测结果及分析
•       4.2.1.1 植被区实测水位分布
•       4.2.1.2 植被区水面坡降与植被密度的关系
•     4.2.2 流速实测结果及分析
•       4.2.2.1 典型水平断面处流速大小比较与分析
•       4.2.2.2 不同淹没度下流速大小比较与分析
•       4.2.2.3 不同排列方式下流速大小比较与分析
•       4.2.2.4 不同水深处实测流场比较与分析
•   4.3 本章小结
• 第五章 含淹没刚性植被水流数值模拟
•   5.1 含一个植被水流流速模拟结果分析
•   5.2 含单排多个植被水流流速模拟结果分析
•     5.2.1 单排多个植被横向分布流速比较与分析
•     5.2.2 单排多个植被纵向分布流速比较与分析
•   5.3 含群体植被水流流速模拟结果分析
•     5.3.1 典型水平截面流速模拟结果比较与分析
•     5.3.2 不同淹没度流速模拟结果比较与分析
•     5.3.3 不同排列方式下流速模拟结果比较与分析
•     5.3.4 不同方向流速模拟结果比较与分析
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 宋滢汀

导师: 景何仿

关键词: 格子方法,模型,刚性植被,水流流速,数值模拟

来源: 北方民族大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 北方民族大学

分类号: O35

总页数: 64

文件大小: 5281K

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