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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 FLUENT152

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 Delft3D164

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 MIKE170

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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