摘 要

疏浚工程是开发、改善和维护航道、港口水域的主要手段之一。但伴随着疏浚工程的进行，不可避免地产生了一些泥沙沉积、扩散污染河流及港口的现象，其扩散特性因输送条件和输送参数的不同时而计算方法各异。国内外研究者在实地考察和数值模拟的过程中，建立了大量的二维及三维模型去研究污染物扩散的方法。本论文将以船体不同流动速度、不同污染物浓度下污染物扩散的二维模型为研究对象，运用数值仿真方法，对不同模型下的速度分布、浓度分布、扩散形势进行分析研究，所得结果可为疏浚作业工程提供一定的参考。

本文在考究了大量文献后，决定选用ANSYS软件进行本次的数值模拟，首先运用Geometry软件构建出数学模型，再运用网格划分软件ICEM进行模型内部，从而细化计算区域，最后利用Fluent软件进行仿真模拟，通过观察FLUENT的后处理结果，考察理查德森数及速度比对疏浚污染物溢流扩散过程的影响。最后得出以下主要结果：

1）通过计算机软件ANSYS辅助本次模拟实验，仿真模拟实验得到了较好的实验数据和结果。

2）理查德森数对流动方向影响不大，但对于疏浚羽流在宽度范围，浓度集中大小具有一定的影响作用。

3）速度比对于流动方向的影响很大，且会使浓度集中位置产生变化。流速是否对河流产生扰动也取决于速度比。

关键词：三维模型；理查德森数；速度比；ANSYS

Abstract

Dredging engineering is one of the main means to develop, improve and maintain waterways and port waters. However, with the dredging project, some sediment deposits and diffusions will inevitably pollute rivers and ports, and their diffusive characteristics will vary with the transport conditions and parameters. In the process of field investigation and numerical simulation, researchers at home and abroad have established a large number of two-dimensional and three-dimensional models to study the methods of pollutant diffusion. In this paper, the two-dimensional model of pollutant diffusion under different velocity and concentration of ship hull is studied, and the velocity distribution, concentration distribution and diffusion situation under different models are analyzed and studied by numerical simulation method. The results obtained can provide some reference for dredging engineering.

After investigating a large number of literatures, this paper decides to use ANSYS software for this numerical simulation. Firstly, the mathematical model is constructed by Geometry software, and then the calculation area is refined by using ICEM software. Finally, the simulation is carried out by using Fluent software. By observing the post-processing results of FLUENT, the dredging of Richardson number and speed ratio is investigated. The influence of dye overflow and diffusion process. The main results are as follows:

1)Through the computer software ANSYS to assist the simulation experiment, the simulation experiment obtained better experimental data and results.

2)Richardson number has little effect on the direction of flow, but it has certain effect on the concentration concentration of dredged plume in the width range.

3)The velocity ratio has a great influence on the flow direction and changes the concentration concentration concentration position. Whether the velocity disturbs the river depends on the velocity ratio.

Key words: three-dimensional model; Richardson number; velocity ratio; ANSYS

目 录

第1章 绪 论 1

1.1背景及国内外研究现状 1

1.1.1疏浚工程相关背景 1

1.1.2国内外研究现状 1

1.2目的及意义 3

1.3基本内容和技术方案 3

1.3.1基本内容 3

1.3.2研究方法 3

1.3.3技术路线 4

第2章 数值模拟及模型建立 5

2.1数学模型 5

2.1.1 欧拉两相模型 5

2.1.2 扩散方程 5

2.1.3 湍流模型 6

2.2 耙吸式挖泥船的羽流源 7

2.3 软件应用说明 7

2.3.1 ANSYS 7

2.4 模型建立 8

2.4.1物理模型 9

2.4.2网格划分 9

2.4.3 物理参数，边界条件设定 11

2.4.4 数值求解方法 12

2.5 研究方法 13

2.6本章小结 13

第3章 理查德森数对扩散模拟的影响 14

3.1 理查德森数与速度比的选择 14

3.2延流动方向上的浓度比较 15

3.3 疏浚羽流切面浓度扩散情况 17

3.4 疏浚羽流浓度比较 19

3.5 疏浚羽流的速度场 23

3.5.1 流动方向上的速度场 23

3.5.2 羽流切面上的速度变化 24

3.6 本章小结 25

第4章 速度比的影响及表面羽流的研究 26

4.1速度比的影响 26

4.2 表面羽流 27

4.2.1 河流表面处表面羽流浓度分布 27

4.2.2表面羽流浓度大小及特点 28

4.2.3 表面羽流的速度场 30

4.3 本章小结 32

第5章 总结与展望 33

5.1总结 33

5.2展望 33

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪 论

1.1背景及国内外研究现状

1.1.1疏浚工程相关背景

疏浚工程，是一种人工或挖泥船对水下挖掘作业的、拓宽和加深水域而进行的工程。通过疏浚工程，河道水流几何边界得以改变，从而引起水流内部结构的变化^[1]。在新生成的人工设计的水流结构的作用下，泥沙不再淤积与航道中，从而使航道稳定，环境得以优化。在现代化的生活过程中，人们越来越注重对于环境的保护，所以在世界各国对环境保护的倡导下，各个地区开始广泛的采用疏浚的方法保证河流的清洁与稳定。

在国外，疏浚工程作业的理念形成的较早，而在世界各国疏浚的发展史中,美国与荷兰则是这一项目的领头羊。19世纪30年代,美国就开始了对密西西比河的治理,疏浚后效果良好,并保持了所需的航道水深。19世纪60年代荷兰政府开始对鹿特丹港新水道进行治理,整治工程与疏浚相结合,才将新水道建设成功,顺利通航。法国的塞纳河口治理、加拿大的圣劳伦斯河口治理,都借鉴了美、荷等国的疏浚经验,并且最终都获得了成功^[2]。

在国内，疏浚作业虽然起步较晚，但我国疏浚作业却始终以最快的速度进行发展。我国近代河道疏浚业的发展起源于19世纪末的建国前期，上海黄埔江及其支流的疏浚就是在这是展开的。我国疏浚业发展主要是在建国之后，1962年我国在马颊河150多千米的河道上展开了会战，这是我国首个大规模河道整治与疏浚工程。目前我国已经形成以交通、水利为主的两大疏浚实力群体。我国疏浚工程现状潜力大、后劲足^[2]。

从国外国内的形式上来分析，疏浚工程在现今河流治理上拥有很重大的意义。但疏浚作业的过程中，疏浚船体对河流底部泥沙的动作，将不可避免的产生泥沙的悬浮，这些泥沙将会顺着河流的流向迅速的向船体后方扩散。由于泥沙中可能存有磷、重金属及有毒物质、营养性污染物等，这些污染物会对水体造成严重的污染，从而破坏水体环境。因而研究疏浚过程中污染物的溢流扩散形式，边界条件变化时扩散的速度及浓度便显得格外重要。

疏浚工程给河流河道带来了清洁与便利，然而疏浚作业过程中的污染物扩撒不可避免，通过使这种扩散污染最小化，从而保证河流污染度最低是这次研究的主要目标。在推动绿色环保的发展，积极响应两会的环保号召，建设绿色发展的经济政策下，疏浚污染物扩散数值模拟将呈现它的重大意义。

1.1.2国内外研究现状

由于需要研究疏浚工程中泥沙扩散特性以及运动规律，就需要找到一些合适的扩散模型，从而展开研究。但扩散具有复杂多变性，因此针对扩散原理的研究一直在进行。其中涉及到原理为流体力学、概率论相结合的途径来深入研究泥沙运动。现有的两相流扩散模型的研究过程中，其采用的流体力学原理基本全部为流体的三大守恒方程，但概率论的引进方式较为繁琐。最早在扩散中引进概率论方法的是 Einstein，他研究了沙子在水槽中沿程和随时间的扩散，得到了分布函数，但由于未与泥沙运动热点--起动与推移质联系起来，所以未得到正式的应用^［3］。后来 Einstein做了根本改变，初步采用了力学与概率论相结合的方法：即以力学方法为主，研究推移质运动，除提出交换外，又引进了起动概率^[4]。之后，欧美、日本及前苏联也沿着这个方向进行，成了二十世纪五十年代以后泥沙运动理论研究的主流。

在进行扩散模型理论分析的过程中我国学者陈善谟较早的研究了重力和水流厂共同作用下的固体细颗粒的运动^[5]。他利用Basset 分析静水中球体颗粒受重力作用缓慢的运动方程式，将其简化到湍流中，实现其在湍流中的应用^[6]。

随着计算机技术的发展，数值计算方法成为现如今研究扩散过程的主流，其中有限差分法凭借其计算准确、耗费计算资源少等优点成为了主要的计算模型^[7]。扩散理论的完善促进了扩散数值模拟的研究，但对于不同流域、不同研究对象，应用的模拟方法存在着差异。对于一些小流场问题，韩桂林采用了标准的κ-ε模型，在距离疏浚中心点不同距离处测量了泥沙的浓度^[8]。雷晓玲则使用Fluent软件，分析不同间距下流体中泥沙浓度^[9]。由于小流场内的扩散分析并不复杂，也可利用MATLAB编写仿真程序以描述不同粒径泥沙沉降扩散情况^[10]。

在大部分的大流域分析过程中，模型构建基本都与Delft-3D有关，这是一种以Delft-3D FLOW为核心的开源计算软件，具备支持曲面网格的功能，可以非常精确地进行大规模流场计算^[11]。丁娟在研究疏浚过程中的水动力及水质状况时就利用了Delft-3D FLOW对三峡航道疏浚过程中的水环境进行数值模拟，从而得到了航道的水深水位状况^[12]。张立杰和廖庚强也利用了该软件的大流域计算方法得出呼伦湖水和柳河水的水动力状况^[13][14]。在模拟大流域模型的过程中，一些学者也选择了其他的软件进行分析。如董德信利用 MIKE模型模拟了2008年和2012年钦州湾岸线变化对悬浮泥沙扩散和底质冲淤变化的影响^[15]。而在董德信的基础上，吴桂丹基于 ECOMSED 模型模拟了钦州三墩作业区蓄泥坑开挖引起的水动力变化和泥沙扩散情景，并通过敏感性实验测试了不同围挡实验对减少泥沙扩散面积的效果^[16]。

为了研究方便及绘制清晰明了，在模型建立的过程中学者们也针对可以简化的模型进行了三维到二维的转化，如李林娟在研究长江口环流动力下的盐度扩散时，采用的基于Bonssinesq假定和静水压强假定，三维水流在水深方向进行积分处理后在平均，从而简化为二维流动的过程^[17]。殷麒麟也采用了类似的方法，将三维水动力泥沙进行深度平均，合理地简化为二维水动力泥沙耦合模型^[18]。此外，也可以直接采用二维模型体现扩散过程，更直接表现出流动主体在水流方向上的过程，如郝宇驰建立了完整的二维耙吸式挖泥船泥舱数学模型分析了装仓过程中沉积面的变化过程^[19]。田小卉则以烟台套子湾人工岛围垦工程为例，在工程海区平面二维潮流场数学模型的基础上，采用二维悬移质数学模型对人工岛施工期悬浮泥沙扩散范围进行预测^[20]。

综上所述，对于扩散的模拟形式多种多样。但在建立模型的过程中应根据实际情况建立更能直观、精确的表达研究对象的模型，从而达到数值模拟的最佳效果。

1.2目的及意义

本次设计的任务是利用计算流体动力学分析软件ANSYS对疏浚泥沙在水域的溢流扩散进行模拟，分析流动参数对溢流扩散特性的影响规律，并进一步探究减小溢流扩散的方法。通过此次毕业设计进一步巩固大学期间所学习的流体力学，传热学等一系列专业课程知识。查阅文献，整理资料的过程进一步提升笔者的分析、综合、理解能力。运用ANSYS软件进行仿真模拟，提升笔者对于工程软件运用熟练度。

在研究的过程中，运用好数学模型和软件是完成本次实验的关键。数学模型能够把较为复杂的流动运行状况的各个有关参数直观的反映出来，而软件的运用能更加直观的反应出悬浮污染物的溢流扩散过程。基于以往各个作者的研究经验，模型可采用二维或三维维度的数学公式进行计算，在计算的过程中分析方法较多，要以最适合本实验的计算过程的分析方法去完成本次实验。本次毕业设计要在以往作者的分析上观察一处新水域疏浚污染物溢流状况，并根据ANSYS软件构造一个相对可靠的数学模型。

通过对疏浚污染物溢流扩散数值的模拟，能够更加可靠的把握河流中泥沙及悬浮物的流动方式和去向，从而找到规律，探究减小溢流扩散的方法，降低水体中的污染物质对水质的影响，从而在今后的疏浚作业中找到正确的治理水体环境的方案，得到经济发展及环境保护两不误的成效。

1.3基本内容和技术方案

1.3.1基本内容

1. 扩散数学模型构建方法分类。对已有数学模型进行特性分析，对不同学者提出的经验公式和适用条件进行研究，结合现阶段工程及生产需要，对不同数学模型进行分类归纳，总结出适用范围广，精确度高，计算相对简单的模型。
2. 疏浚污染物溢流扩散特性数学模型建立。通过确定流体运动的方式来确定控制方程。同时，找出数值计算的方法，在疏浚作业的条件下进行数值模拟。
3. 扩散模型的仿真模拟及实验验证。利用ANSYS中不同模块对总结出的溢流扩散模型进行仿真计算，与实验结果进行对比，验证仿真结果的可靠性和可行性。

1.3.2研究方法

1. 文献调查法。查阅文献、资料，阅读关于泥沙悬浮物在水体中扩散方式的基础知识，熟悉构建污染物模型的方法。
2. 归纳与总结。在查阅文献、资料的基础上，对不同学者关于污染物溢流扩散方式用到的数学方法进行分类归纳，总结出基于不同理论扩散模型的分类，在此过程中熟悉各个模型的特点及数学方程。
3. 仿真模拟。运用ANSYS计算软件进行仿真模拟分析。建立并分析模型所表达出来的污染物流动方式的信息。
4. 评估优化。以实际实验结果作为参照，对模拟仿真结果进行评估。分析仿真结果的误差来源，对仿真过程进一步优化，使结果更准确，提升其可行性。

1.3.3技术路线

1. 分析污染物流动特性。由于流动中存在种类繁杂、大小、形状、重度等物性参数迥异的泥沙或悬浮物，使流动过程不仅有动量传递，还伴随热量、质量的传递，流动状态复杂多变。

2）分析不同扩散模型并仿真建模计算。对不同的扩散模型进行分析归类，掌握不同扩散模型的特点、适用范围、参数设置及前提条件。记录ANSYS软件后处理程序FLUENT所运算的结果。

3）预期结果。用仿真得到的结果生成扩散数值，与试验研究的特性数值进行对比分析，吻合度较高证明仿真模拟结果较为成功，可为工程应用提供一定参考。

4）结果优化。找出模拟结果与实验数据之间的误差，从网格建立、边界条件、参数设置、计算域选择等方面进行具体原因分析，优化建模运算过程，使结果更精确、可行性更高。

第2章 数值模拟及模型建立

2.1数学模型

2.1.1 欧拉两相模型

在流体力学中，将动力学性质相同的均匀物质称为相。即任何物质都是以相的形式存在的，如固相、液相和气相。两相流是指在流体系统中存有两相流动，而在实验的过程中，大部分研究的对象为固液两相流。固液两相流问题是一个在众多学科中都会遇到的问题，因此两相流的理论和应用近年来得到了人们越来越多的关注。

由于两相流中每一相都有一套参数变量，相比单相流，参数变量增加了一倍；另外每一相的体积分数，物理性质及各相界面间的相对流动影响等因素的不确定性，都在一定程度上增加了两相流理论研究的难度。本次模拟实验将采用的是欧拉两相模型（即双欧拉模型）。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：