1、选题的目的和意义(含国内外研究现状分析）

长江上游泸渝河段是西南地区水上交通枢纽，同时也是西部沿江各省与长江中下游及沿海地区的主要水上通道。但长期以来，泸渝河段枯水期航道存在许多浅滩和险滩，航道尺度仅为1.8m×40m×400m，不能满足航运发展的需要。

1978-1997年泸渝航道曾进行了系统整治，航道尺度一度达到了三级航道2.7m×50m×560m的标准，河道中急流、横流、泡漩等不良流态得到改善。但整治工程实施后，由于经费等原因，航道维护工作未能及时跟上，部分整治建筑物被毁，滩险航槽产生回淤，重新出现多处碍航情况，目前本河段仍达不到三级标准。本文将对长江上游泸渝河段关刀碛滩险进行航道整治以及一系列的数值模拟计算，设计方案使该河段达到正常通航标准。

我国航道整治^[1]工作起步较晚，但建国以来的建设，逐渐追赶上外国脚步，大体情况如下图；

国内外河道整治案例及现状对比

河段浅滩险滩问题，很多国内学者进行过研究，在整治方案方面都有很多见解，黄春茜^[2]对于黔江碍航滩整治的必要性做出了重要的分析并提出整治方案。同样的，对于洞庭湖响水坎跌水碍航险滩的整治，胡旭跃^[3]等人的研究也有很强的指导意义。根据不同的水文情况，需要不同的整治方法，对于长江上游泸渝河段，毕方全，李晶^[4]的探究中提出该河段整治主要为补坝工程。许光祥^[5]等人的研究中，对于断头孤礁这种碍航情况，提出了采用炸礁结合潜鱼嘴连接坝的工程措施整治断头孤礁险滩,可达到较好的整治效果。

在险滩整治工程方案设计中，不同的试验手段能适应不同的碍航航道情况，在谢成鹏^[6]等人的研究中，结合洞庭湖区毛角口滩险滩整治工程设计，合理地将船舶物理模型、定床物理模型和平面二维水流数学模型等试验手段用于方案比选，对整治工程方案从改善通航条件、引起河道分流比变化、沿程水位变化、局部流态变化及整治工程对堤防安全的影响等方面作出了综合分析，为优选工程方案提供依据，并总结出了不同模型在此类工程应用上各自的特点。

本文将采用数值模拟计算方法并结合一系列软件进行方案的设计。利用CFD（Computational Fluid Dynamics）^[7]软件，对数据进行计算并得出相关结论。曹民雄^[8]等人在对长江上游和尚岩滩群航道整治的研究中，利用数值模拟计算方法，设计了相应的整治方案，满足了航道尺度与通航水流条件。在Uchiyama, Tomomi^[9]等人的研究中，用改进的涡漩法计算湍流通道流动，利用了数值模拟计算的方法，取得相应的结果。对于水动力输沙和河道形态调整的二维水深平均模型^[10]和在边界层湍流动能耗散率^[11]的研究，亦可以使用该方法。

继理论分析和科学试验之后，数值模拟已成为科学技术发展的主要手段之一。由二维扩展为三维。早期计算机的能力十分有限，受计算费用和计算机储存能力的限制，数值模拟程序大多是一维或二维的，只能计算垂直碰撞或球形爆炸等特定问题。随着第三代、第四代计算机的出现，才开始研制和发展更多的三维计算程序^[12]。

CFD具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点，故其逐渐受到人们的青睐。1910-1917年,英国气象学家L.F.Richardson 通过用有限差分法迭代求解Laplace方程的方法来计算圆柱绕流和大气流动,试图以此来预报天气.尽管他的方法失败了,但现在国际上一般认为,他的工作标志着计算流体力学(CFD)的诞生^[13]。与其它CFD软件相比，FLOW-3D采用真正的三步 VOF 法，除能准确定位自由表面所在单元和跟踪出流体表面位置，在每次求解流场时都会再次应用自由表面的边界条件，达到对自由表面更加精确的模拟。

有鉴于此，本文拟采用FLOW-3D对航道区域整治前后水流流动特性进行数值计算，并与实测资料进行比较分析，验证计算结果的可靠性，分析航道整治前后流场特性进行分析，预测整治效果。

2、基本内容和技术方案

分析关刀碛河段航道区域水文资料，应用CFD软件建立航道水动力数值计算模型，并针对不同水流条件，对浅碛子河段航道区域流场进行计算，分析整治工程前后流场变化，为航道设计提供有益的参考。

研究内容：

（1）航道区整治前数值模拟计算及验证

采用三维建模软件，建立三维地形图，对泸渝河段关刀碛险滩航道区内设计水位进行数值模拟计算，将计算结果与该河段2003年实测资料进行比对，验证计算模型的可靠性与有效性。

（2）航道区整治方案数值模拟计算

对关刀碛险滩航道加上丁坝的航道区重新绘制地形图，并对整治方案设计水位的流场进行模拟计算，得出整治后的流场数据。

（3）后处理

根据整治设计方案最终数据，进行对比分析，得出整治结论，以及整治效率，使航道区达到通航标准。

技术方案：

（1）查阅相关文献资料，了解国内外航道整治技术及水动力学数值模拟技术的研究现状以及湍流模式以及水动力学数值计算的基本思路

（2）采用CFD软件Flow-3D确定计算模型并且进行网格划分，设定合理的边界条件，建立三维数值地形图。

（3）采用Flow-3D进行数值模拟，根据水力学^[14]液体的连续性方程，伯努利能量方程，动量方程，得出近似解，与实测资料进行对比，验证计算模型的可靠性。用相同方法计算加入丁坝^[15]之后航道区的流场数据是否符合标准。

（4）对计算结果进行后处理，

（5）撰写毕业论文，准备答辩。

3、进度安排

参考文献

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[２] 黄春茜，浅析黔江部分碍航滩险局部航道急需整治的必要性及整治方案[A]，《城市建设理论研究:电子版》, 2012(21)

[３] 胡旭跃，沈小雄，陈健强，程永洲，胡越高，洞庭湖响水坎跌水碍航险滩整治方法研究[A] 《泥沙研究》, 2007(2):11-16

[４] 毕方全，李晶 长江上游泸渝段航道整治研究 [A] 重庆交通大学学报2008 年6月第27卷第3期

[５] 许光祥，刘辛愉，刘天云 断头孤礁险滩整治方法研究 水运工程201第6期P147-151 1002-4972

[６] 谢成鹏，闫金波，陈珺不同模型在险滩整治工程方案设计中的综合运用

中国农村水利水电 2007第1期 P101-105 1007-2284

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[１３] 阎超，于剑，徐晶磊，范晶晶，高瑞泽，姜振华 CFD模拟方法的发展成就与展望 《力学进展》 2011年05期

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