內容簡介
《挾沙水流數學模型的研究與實踐》針對水流泥沙數學模型發展過程中遇到的關鍵性的技術難題，採用理論分析和實際編程計算相結合的方法對它們進行了研究。根據研究內容分為上篇、中篇、下篇。其中：上篇主要對多沙河流的一些重要參數、適用公式和處理方法等進行了研究，建立了多泥沙河流平面二維泥沙數學模型，並對在數學模型中如何體現多沙河流特殊的演變規律也進行了研究；中篇主要對計算過程收斂性、自由水面的確定、泥沙擴散係數的取值等進行了研究，建立了二維水流泥沙數學模型，並進行了初步驗證；下篇搭建了黃河治理人工智慧體系的理論框架，介紹了與之有關的人工神經網路模型、中常洪水的演進方法、河道沖淤平衡水沙關係的部分研究成果。目錄
前言上篇 多泥沙河流平面二維泥沙數學模型
第一章 緒論
第一節 問題的提出
第二節 泥沙運動規律研究進展
第三節 泥沙數學模型研究進展
第四節 本書的研究思路及主要內容
第二章 多沙流體流變方程和挾沙力公式的選用
第一節 模式分類的依據和實施
第二節 對賓漢剪應力的BP網路訓練結果與分析
第三節 二元均勻流挾沙力的BP網路訓練結果與分析
第四節 天然多沙河流數學模型中挾沙力公式的選用
第五節 本章小結
第三章 多沙河流河床斷面概化的研究
第一節 河床斷面概化的意義和已有方程
第二節 多沙河流斷面形態補充方程的建立和驗證
第三節 斷面概化方法的套用步驟
第四節 本章小結
第四章 多泥沙河流水深平均的二維泥沙數學模型
第一節 水流泥沙運動的控制方程
第二節 計算定解條件
第三節 計算步驟
第四節 平面二維水流數學模型的套用
第五節 泥沙模組計算時所用公式和參數的選取
第六節 模型的驗證
第七節 本章小結
中篇 三維水流泥沙數學模型研究
第五章 三維水沙運動的控制方程與求解
第一節 水流控制方程和壓力項分解
第二節 水流控制方程離散與求解
第三節 泥沙輸運方程
第四節 定解條件
第五節 SIMPLE格式發散的原因及改進方案
第六節 不同步修正的實施和優點
第七節 不同步修正避免計算發散的實例
第八節 本章小結
第六章 自由水面的確定
第一節 考慮動水壓力梯度的自由水面計算
第二節 垂線平均流速的確定
第三節 引入動水壓力梯度與無動水壓力梯度的計算對比
第四節 本章小結
第七章 三維水流泥沙數學模型計算實例
第一節 三維水流模型在計算明渠流中的套用
第二節 三維水流模型在計算複式斷面中的套用
第三節 挖入式港池內流場的數值計算
第四節 三維泥沙數學模型計算實例
第五節 本章小結
下篇 黃河治理開發中的實用泥沙數學模型
第八章 黃河治理開發中的人工智慧體系
第一節 人工智慧理論
第二節 人工智慧概述
第三節 人工智慧體系在治黃中的套用
第九章 黃河與渭河下遊河道人工神經網路模型
第一節 人工神經網路模型特點
第二節 人工神經網路模型在黃河下游的開發及套用
第三節 人工神經網路在渭河下游輸沙水量研究中的套用
第十章 多泥沙遊蕩河道中常洪水的演進方法
第一節 研究方法的由來
第二節 洪水劃分
第三節 洪水演進
第十一章 黃河下遊河道沖淤平衡水沙關係初步研究
第一節 花園口斷面平衡含沙量的影響因素分析
第二節 花園口斷面平衡含沙量的函式關係
第十二章 主要結論及研究展望
第一節 主要結論
第二節 研究展望
前言
20世紀50年代以來，隨著科學技術的進步和計算機技術的發展，計算流體力學逐漸成為一門獨立的學科。水流泥沙數學模型作為河床變形定量預測的重要手段日益受到重視，目前長河段、長時間的一維和水深平均的平面二維泥沙數學模型已經得到廣泛套用，三維泥沙數學模型發展也較快，在水利工程的規劃、設計、運營中發揮著越來越大的作用。由於很多大江大河的平面尺度遠遠超過垂向尺度，物理量沿水深方向的變化在許多情況下不是重點考查的對象，與三維數學模型相比計算又大大簡化，因此水深平均的平面二維泥沙數學模型有著獨特的優點，是目前套用最為廣泛的數學模型。在泥沙數學模型套用過程中，發現已有的二維數學模型大多只適用於計算少沙河流，多沙河流數學模型落後於清水和少沙河流數學模型的發展，其主要原因是對多沙河流的一些重要參數、適用公式和處理方法等認識不夠深入，同時在數學模型中如何體現多沙河流特殊的演變規律也存在較大爭議。例如：高含沙洪水和低含沙洪水在汛期往往交替發生，在數值模擬中如何選用適宜的流變方程；高含沙洪水的挾沙能力具有“多來多排”和形成“漿河”等特點，使數學模型中套用的挾沙力公式易與實際不甚符合；多沙河流大都擁有散亂型流路，主流在寬廣的大堤內擺動遊蕩，往往灘槽區分並不明顯，還有可能形成“二級懸河”，使得斷面概化困難；對很多係數和處理方法存在較大的爭議，如流場與沙場是否應耦合計算、收斂判斷條件、計算時段選取規則等，尚無定論，特別是對恢復飽和係數的取值爭議很大。我國西北和華北一些地區河流汛期含沙量都比較高，因此對多沙河流的平面二維數學模型進行進一步研究是很有必要的，本書的上篇“多泥沙河流平面二維泥沙數學模型”即進行了這方面的研究工作。
二維泥沙數學模型只能反映平面上水沙因子的變化，而河流的彎曲和分汊是自然現象，環流結構及其引起的泥沙輸移是河流水沙運動的重要特徵，水利工程建築物（如丁壩、橋墩等）附近水流三維特徵十分明顯。因此，隨著計算成本的降低，建立三維泥沙數學模型是水流泥沙數值模擬的發展方向，其優勢不可替代。在套用壓力一速度場疊代求解的方法進行三維水沙數值模擬時，由於控制方程組的高度非線性特性、初始設定的壓力場和速度場協調性及流速分量非對稱性等原因，計算過程容易發散；同時自由水面的確定一直是一個較難的課題，以前的方法，如靜水壓力分布假定和“剛蓋假定”，或是採用一階迎風格式來計算自由水面高程，或者是求解二維壓力Poission方程等方法，在計算中都沒有考慮動水壓力的影響，因而存在一定的局限性；三維泥沙數學模型中泥沙擴散係數的取值，也有多種說法。因此，作為發展中需要克服的困難，三維泥沙運動數值模擬中還有很多問題需要深入探討。
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