水利枢纽的泄洪、排沙、发电和供水等设施进水口位置的设定及其运行等,都要求对坝区水流运动和泥沙分布有正确的了解。如果对坝区水沙运动不能正确地预测就可能会妨碍枢纽的防洪、灌溉、发电和航运等各种功能的发挥,有时甚至会威胁到人民生命财产的安全。特别在多沙河流上,由于淤积发展迅速,河床的剧烈变化使得水沙分布变得更为复杂,泥沙可能引起的危害更为突出。充分认识坝区水沙运行规律,根据其运行规律进行合理的引水口布置和水沙调度从而减少泥沙可能引起的各种不利影响,是当前水利工程建设和管理中一个亟待解决的问题。对坝区水沙运动进行模拟研究,为水库的设计、运用提供参考是很有意义的。本文分别建立坝区立面二维水沙数学模型和一维异重流模型,对坝区水沙运行情况进行模拟研究,得出坝区水沙运动的初步认识。本文共分六章,各章的主要内容如下: 第1章综合阐述了立面二维水沙数学模型的研究现状和数值模拟的计算方法,并在此基础上针对坝区水沙运动提出了本文的主要工作。 第2章忽略各物理量在一个水平方向上的变化,将三维水沙数学模型简化为立面二维水沙数学模型,并引入了前人的研究成果,提出边界条件,使方程封闭。接着简要介绍了有限体积法,并用有限体积法对剖面二维水沙方程进行离散,然后求解离散方程。同时针对剖面二维水沙数学模型中的动水压强问题、动边界问题、水流挟沙力问题、恢复饱和系数问题提出了自己的处理方法。 第3章对剖面二维水沙数学模型进行了检验,检验内容包括断面的垂向流速和垂向含沙量,并运用该模型对进水孔不同位置的含沙量进行了模拟分析,用数值模拟的方法给出进水口不同高度时孔口含沙量的大小和库区的水沙分布。在方案的模拟过程中,分别给出了坝前200m内流速垂向分布图和含沙量的垂向分布图,坝前的水沙运行情况一目了然。 第4章建立了一维异重流模型,模拟了水库异重流在坝区的运动情况。模拟内容包括异重流的运行速度、异重流的分界线以及异重流的浓度分布,并运用黄河小浪底的实测异重流资料对模型进行检验,结果表明,该模型计算结果符合实际情况、基本能反映异重流运动的基本规律,模型可靠。 第5章为数值模拟的前后处理。本章介绍了地形图数据的读取、计算区域网格的划分、剖面流场的可视化、异重流演进的可视化。把数值模拟计算中枯燥的数据以动态图像的方式直观地显示出来,克服了数值模拟前处理工作量大、计算结果不直观等不足。 第6章对本文进行总结并对今后的工作进行展望。