矩形沙坑对含沙水流影响的数值模拟分析

"沙坑局部含沙水流特性的数值模拟研究 (2013年) - 长江科学院 河流研究所 李健, 金中武, 杨文俊" 本文是一篇工程技术领域的论文，主要探讨了利用FLUENT流体商业软件对河流动力学问题中的沙坑局部含沙水流特性进行数值模拟的研究。FLUENT软件虽然在水利工程中有广泛应用，但在河流动力学领域的应用较为有限，主要由于其对复杂边界和河床演变处理的局限性，以及计算效率问题。 作者通过混合物模型对含有矩形沙坑的河道进行了水和含沙水流两种情况的数值模拟，并进行了对比分析。研究发现，水沙耦合计算模式下的混合物模型能有效地模拟河道中的水沙两相流输移现象。泥沙相对于流体的动量影响显著，这不仅影响了流动的稳定性，还减慢了计算的收敛速度。此外，泥沙的存在还会抑制水流内部的紊动，降低了水流的湍动能。 在沙坑内部，特别是在拐角处，容易形成涡旋状的次生流。这些涡旋导致水流向上游的溯源冲刷，同时在下游区域造成淤积。这种现象对河流形态和河床稳定性有重要影响，特别是在大规模采砂活动后，沙坑的形成和演变可能对河道安全带来挑战。 论文中提到，尽管实际的沙坑形状复杂多变，但为了简化问题，研究者将沙坑和河道理想化为矩形，以便于进行数值模拟。通过FLUENT软件，可以量化分析沙坑对周边水流紊动特性的影响，这对于理解采砂活动对河流系统动态变化的作用具有重要意义。 然而，FLUENT软件在处理河流问题时，由于自由液面模拟采用VOF方法，更适合局部精细模拟，而不是大范围的河流流动。因此，尽管软件在某些方面存在限制，但其仍为理解和预测沙坑影响提供了有价值的工具。 关键词：水沙二相流、混合物模型、矩形沙坑、立面二维模型。这项研究有助于提升我们对河流动力学的理解，特别是对于因采砂活动引发的沙坑形成和演变对水流动力学的影响，为河流管理和环境保护提供科学依据。