弯曲明渠流离散效应及改进的水流和物质输移平面二维数值模拟

三维数学模型实际应用有相当局限性，实际工作中大量应用平面二维模型。实际工作表明，不考虑"离散项"的平面二维模型模拟结果不能反映弯道（或主流弯曲）环流引起的动量和物质输移（包括能量），不能完全捕捉和反映弯道和主流弯曲直河段的流动（水深平均）特点和物质输移（包括河床演变）特点。本课题从平面二维模型方程（水流运动方程、物质输移对流扩散方程）的导出过程出发，采用无量纲和量级分析、水流和物质输移的基本原理和数值模拟实验，通过实验、与典型（河型）河段和物理模型河道实测资料及三维模型计算结果对比，研究模型方程中"离散项"的作用机理及其数学表达、"离散项"在不同类型（典型）河段中的分布特点及在平面二维模型中对"离散项"的最佳数值处理方法和应用。由此，考虑离散项而改进的平面二维数值模拟模型的预报准确性、精度将得到极大地提高。

三维数学模型实际应用有相当局限性。实际工作表明，不考虑“离散项”的平面二维模型模拟结果不能反映弯道环流引起的动量和物质输移，不能完全捕捉和反映弯道和主流弯曲直河段的流动特点和物质输移特点。本项目完成的工作包括：.从平面二维模型控制方程（水流运动控制方程、悬移质泥沙运动）的导出过程出发，将恒定均匀流不冲不淤二度均匀流条件下的指数流速分布公式和Rouse悬移质泥沙浓度分布公式应用到弯道水流中，导出水流运动控制方程和悬移质泥沙运动控制方程中离散项的表达式，并通过数值模拟实验指出如何在数值模拟计算中计算离散项。.收集实验室U-型和SINE-型弯道水槽资料，包括水面线、垂线平均流速和断面环流，验证和率定平面二维和三维数值模拟模型。比较三维数值模拟模型紊流封闭模式和压强计算假定对垂线平均流速计算的影响，认为就垂线平均流速而言，不同的紊流封闭模式（掺混长度、k-ε模型）和不同的压强分布假定计算的结果和实测资料比较，均得到满意的结果；比较不同的紊流封闭模式和压强计算假定对断面环流计算的影响，认为掺混长度模型和静水压强假定或结合动水压强处理能够得到断面中心区域的环流单元；而k-ε模型和静水压强假定或结合动水压强处理能够得到断面中心区域的环流单元和凹岸的环流单元；根据离散项的物理意义，定义若干计算离散项前的中间项，比较平面二维和三维数值模型对这些项计算的差别，认为在直段采用平面二维或三维模型计算这些项的差别很小，但是在弯道段，特别是凹岸和凸岸部位这些差别是显著的；比较平面二维和三维模型计算的水面线和垂线平均流速，认为在直河段它们的差别很小，但在弯道段，特别是凹岸和凸岸附近，差别很大，如就U-型弯道，在凸岸二维模型计算得到较大的流速，而在凹岸附近二维模型计算的垂线平均流速偏小，而水面线，二维模型计算的偏高；认为根据三维模型计算的结果计算离散项及其分布，可部分解释三维模型计算的垂线平均流速和二维模型计算的差别，在二维模型中如果计入离散项则会大大提高平面二维数值模拟模型在弯道水流，尤其是连续弯道水流中的精度。.通过本项目共发表各类成果56件，其中英语期刊论文11篇（SCI索引论文9篇、EI3篇）、中文期刊论文29篇、国际会议论文7篇；培养研究生共15名(博士4名)；参加国际会议及对外交流5次；获得计算机软件著作权保护1项。另外，在项目申请前期工作中发表SCI索引英语期刊论文2篇。