水沙水质类水利工程问题数值模拟理论与应用PDF电子书下载

上篇 基础理论篇 3

第1章 水利工程数值模拟概述 3

1.1 水利工程数值模拟的研究目标和研究内容 3

1.1.1 水利工程概述 3

1.1.2 数值模拟概述 5

1.1.3 水利工程数值模拟研究目标及研究内容 6

1.2 水利工程数值模拟国内外研究现状 8

1.2.1 紊流的数值模拟研究现状 8

1.2.2 水流运动的数值模拟研究现状 14

1.2.3 泥沙运移的数值模拟研究现状 16

1.2.4 冰凌问题的数值模拟研究现状 17

1.2.5 水质问题数值模拟研究现状 18

1.2.6 土壤水盐运移问题数值模拟研究现状 20

1.3 水利工程数值模拟研究发展趋势 21

第2章 水利工程中常用数学模型 24

2.1 水动力学数学模型 24

2.1.1 一维水动力学数学模型 24

2.1.2 三维水动力学数学模型 30

2.1.3 平面二维水动力学数学模型 37

2.1.4 垂向二维水动力学数学模型 45

2.2 泥沙运移数学模型 47

2.2.1 一维泥沙数学模型 47

2.2.2 二维泥沙数学模型 48

2.2.3 泥沙数学模型中关键问题的处理 50

2.3 湖库水质数学模型 61

2.3.1 湖库特点及水质影响因素 61

2.3.2 湖库水温模型 63

2.3.3 湖库水质数学模型 65

2.3.4 生态动力学模型 69

2.4 土壤水盐运移数学模型 71

2.4.1 土壤水盐运移理论研究 71

2.4.2 土壤水盐运移模型 73

2.4.3 土壤水盐模型关键参数的确定 76

2.5 水温及冰凌数学模型 80

2.5.1 水温数学模型 81

2.5.2 输冰数学模型 84

2.5.3 冰盖厚度发展的计算 86

第3章 水利工程数值模拟有关数值计算方法 93

3.1 常用数值计算方法简介 93

3.2 网格生成技术 95

3.2.1 概述 95

3.2.2 适体坐标变换 98

3.3 对流扩散方程的有限体积法 100

3.3.1 离散格式 101

3.3.2 二维问题的离散 107

3.4 SIMPLE类系列算法及有关收敛性 109

3.4.1 SIMPLE算法 110

3.4.2 SIMPLER算法 114

3.4.3 SIMPLEC算法 114

3.4.4 CLEAR算法 115

3.4.5 IDEAL算法 116

3.4.6 SIMPLE类算法的矩阵形式 118

3.4.7 同位网格下SIMPLE类算法收敛性研究 123

3.5 TDMA算法及其收敛性 135

3.5.1 TDMA算法 135

3.5.2 TDMA算法在二维水沙模型数值求解中的应用 136

3.5.3 TDMA算法的收敛性 137

3.6 高分辨率组合格式构造 140

3.6.1 相关概念 141

3.6.2 高分辨率格式构造 143

3.6.3 算例 144

3.7 定解条件及有关算法改进 146

3.7.1 初始条件 146

3.7.2 边界条件 147

3.7.3 动边界处理 148

3.7.4 水流模块与泥沙模块的耦合问题 149

3.8 引水明渠冬季结冰问题数学模型求解方法 150

3.8.1 一维水力热力耦合模型方程的数值求解方法 150

3.8.2 冰盖厚度发展模型方程的数值求解方法 151

第4章 水利工程数值模拟常用应用软件 152

4.1 FLUENT 152

4.1.1 概述 152

4.1.2 FLUENT软件构成 153

4.1.3 FLUENT主要功能 153

4.1.4 FLUENT计算模型 154

4.1.5 FLUENT基本操作及应用实例 155

4.2 Delft3D 164

4.2.1 Delft3D概述 164

4.2.2 Delft3D主要模块 165

4.2.3 水动力模块（FLOW）简介 166

4.2.4 Delft3D模型控制方程 168

4.3 MIKE 170

4.3.1 概述 170

4.3.2 MIKE主要功能 171

4.3.3 MIKE 21软件应用实例 173

下篇 实践应用篇 185

第5章 连续弯曲河道水沙运移及河床变形研究 185

5.1 主要测量仪器 185

5.2 黄河上游典型河段实测 188

5.2.1 沙坡头河段 188

5.2.2 大柳树河段 193

5.3 沙坡头河段平面二维数值模拟 206

5.3.1 初边界条件及网格剖分 206

5.3.2 水流运动数值模拟结果及分析 210

5.3.3 泥沙运移及河床变形数值模拟结果及分析 212

5.4 黄河沙坡头河段三维数值模拟 222

5.4.1 模拟区域及网格划分 222

5.4.2 数学模型及求解 223

5.4.3 沙坡头库区三维水沙运动模拟结果及分析 223

5.5 黄河大柳树河段三维数值模拟 235

5.5.1 模拟区域及网格划分 235

5.5.2 数学模型及求解 237

5.5.3 大柳树河段三维水沙运动模拟结果及分析 238

5.6 主要结论 253

第6章 抽水型水库泥沙淤积研究 256

6.1 水洞沟水库实测 256

6.1.1 水洞沟水库概况 256

6.1.2 测量仪器及测量方法 257

6.1.3 断面布设 258

6.1.4 实测结果及分析 259

6.2 数值模拟区域及初边界条件 265

6.2.1 模拟区域 265

6.2.2 边界条件及其处理方法 266

6.3 水流运动数值模拟 267

6.3.1 二维水沙运动数值模拟 267

6.3.2 不同工况水流运动模拟研究 273

6.3.3 三维水沙运动数值模拟 277

6.4 小结 284

第7章 抽水型水库水质数值模拟研究 287

7.1 水库水质样品采集及数据分析 287

7.1.1 水质采样点布设 287

7.1.2 水样采集及保存 288

7.1.3 测定指标及分析方法 288

7.1.4 水质数据分析 288

7.2 初边界条件及模型参数率定 290

7.2.1 水库地形的制作 290

7.2.2 上水时的初边界条件 291

7.2.3 不上水时的初边界条件 291

7.2.4 模型参数的率定 292

7.3 模拟结果分析 292

7.3.1 库区流场分布 292

7.3.2 COD的浓度分布 293

7.3.3 NH3-N的浓度分布 294

7.3.4 垂向分布分析 295

7.3.5 实测值与模拟值对比分析 300

7.4 水洞沟水库水质模拟预测 301

7.4.1 上水时的模拟结果 301

7.4.2 不上水时的模拟结果 303

7.5 小结 304

第8章 引水明渠冬季输水数值模拟研究 306

8.1 宁夏吴忠金积供水工程简介 306

8.2 金积供水工程引水明渠一维水温分布数值模拟 307

8.2.1 模拟区域 307

8.2.2 模拟工况及初边界条件 307

8.2.3 引水渠0～4km小流量供水一维数值模拟结果及分析 308

8.2.4 引水渠0～ 16.5 km大流量供水一维数值模拟结果及分析 310

8.3 金积供水工程引水明渠二维水温分布数值模拟 312

8.3.1 平面二维水温分布数值模拟结果及分析 312

8.3.2 立面二维水温分布数值模拟结果及分析 315

8.4 金积供水工程引水明渠冰盖厚度数值模拟 318

8.4.1 1997—2007年冰盖厚度发展情况 318

8.4.2 数值模拟结果与经验公式的比较 320

8.5 小结 320

第9章 抽水泵站水锤数值模拟研究 322

9.1 抽水泵站工程概况 322

9.2 水泵正常运行工况点的确定 323

9.2.1 水泵性能曲线方程 323

9.2.2 单泵运行工况点的确定 323

9.2.3 并联运行水泵工况点确定 324

9.2.4 庄头支线泵站水泵运行工况点确定 324

9.3 特征线法离散水锤控制方程 325

9.4 定解条件 328

9.4.1 水泵端边界条件 328

9.4.2 初值条件和边界条件 333

9.5 事故停泵水锤数值模拟 336

9.5.1 事故停泵泵出口无蝶阀防护水锤数值模拟 336

9.5.2 事故停泵有蝶阀防护的水锤数值模拟 337

9.5.3 事故停泵泵出口蝶阀和进排气阀联合防护水锤数值模拟 338

9.5.4 模拟计算结果分析 339

9.5.5 主要结论 340

第10章 土壤水盐运移数值模拟研究 341

10.1 土壤水分特征曲线的测定 341

10.1.1 压力膜法 341

10.1.2 压力膜法试验结果 342

10.1.3 土壤水分特征曲线的拟合 343

10.2 宁夏银北试验区域概况 347

10.2.1 研究区自然地理条件 347

10.2.2 研究区土壤物理化学特性 350

10.3 宁夏银北试验区土壤水盐动态变化特征 351

10.3.1 监测区管网布置及实验设计 351

10.3.2 监测区土壤水盐变化特征 352

10.3.3 监测区有作物下的土壤水盐变化特征 354

10.4 宁夏银北试验区土壤水盐运移数值模拟结果及分析 355

10.4.1 试验区的土壤水分运动模拟研究 355

10.4.2 试验区纵向剖面水分运动模拟 356

10.4.3 土壤盐分运移方程定解条件 365

10.4.4 土壤盐分运移方程离散处理 369

10.4.5 土壤盐分模拟曲线及数据分析 369

10.5 结论 373

参考文献 375

索引 387

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