摘要
天然水体必然有三维的运动，想要更加准确和全面地模拟天然水体必然要建立三维水动力数学模型。随着数值模拟技术的成熟和三维水流研究的深入，通过三维水动力模型研究流域水动力情况成为一种趋势，本文以黄河内蒙河段作为研究对象，开展三维水动力模型构建工作，为今后开展黄河内蒙河段河道整治提供理论依据，为后续更进一步的研究，如泥沙输移和河床变形研究提供有力支持。 本文在前人工作的基础上建立了基于开源程序ELCIRC的三维水动力数学模型。详细阐述了三维水动力模型的原理和方法，讨论了模拟过程中关键问题的处理，根据实际情况对完整的三维Navier-Stokes方程进行一系列简化和近似，考虑到垂向流速较小，采用静压假定下的三维水流控制方程，自由水面处理采用水位函数法，紊流闭合模型选用GLS模型，水平网格可以选择结构网格或非结构网格，垂向网格采用Sigma坐标，变量布置也相应进行说明，保证模型进行实际应用的可行性。 本文对原有模型优化改进后的结构做出了详细阐述，包括模型输入形式和输入文件、输出形式和输出文件、模型的求解过程以及模型中需要注意的细节等。然后对经典三维溃坝物理试验和弯道模型物理试验进行模拟计算，将水位和流速场分布等模拟结果与实测值对比验证，结果表明本文所编制的三维水动力数学模型能够较好地模拟实际水流运动并具有良好的稳定性。 本文将验证后的三维水动力模型应用于黄河内蒙河段的典型河段中，根据水文背景资料选取了西柳沟入黄口作为研究对象。基于黄河水利科学研究院给出的地形资料和水文资料，首先建立该区域三维水流模型并对两组代表不同强度的洪水工况进行参数率定，经过对糙率不断优化和调整后，计算值与实测值的对比验证结果较为吻合，表明所建立的模型能够较好地模拟该河段的水流运动情况。其次应用此模型对黄河内蒙河段的监测点及其周围表底层流速场和垂向横纵流速分布情况进行分析对比研究。然后对两个工况下的进出口流场、副流形成区流场和交汇区流场进行对比分析，对交汇区的三维水流结构进行对比分析，结果表明两种工况均会引发一定的漫滩，且第二种工况会在交汇区产生较大范围淹没，交汇区水流垂向上存在上升流和下降流。本文建立的模型能为洪水预报等提供一定的理论依据，对实际工程应用有着十分重要意义。
NETL