非对称复式断面明渠水流特性试验与数值模拟

采用三维超声测速仪对非对称复式断面明渠水流流场特性进行试验研究,采用L-Y雷诺应力模型对水面和固壁边界条件进行有效地处理,结合混合有限分析法数值模拟了复式断面明渠二次流流动,和实验资料的对比验证了数值计算和边界处理技术的合理可靠性.进一步分析复式断面明渠二次流运动的流动结构和特性,得到复式断面明渠流动中的二次流分布速度矢量分布、主流流速等值线及典型断面沿水深的主流流速分布,发现自由水面上的主流速度存在速度下降现象,二次流产生最明显的位置在明渠主槽与浅滩的接合部.     

非对称复式断面明渠中污染物混合输移的数值模拟(Ⅱ)——二次流对异质扩散的影响

运用L-Y雷诺应力模型及对水面和固壁边界条件进行有效的处理，结合混合有限分析法数值模拟了复式断面明渠二次流流动及污染物的运移，探讨了沿自由水面横向和垂向的浓度及雷诺传质分布规律，分析了二次流对浓度扩散和紊动传输的影响．     

复式断面明渠二次流的数值模拟

采用Launder-Ying雷诺应力模型对复式断面明渠二次流流动进行数值模拟,和实测资料对比,验证了数值计算的合理可靠性,并进一步分析了不同滩地水深时复式断面明渠二次流运动的流动结构和特性.结果表明,二次流的阻滞导致主流流动减缓;二次流主要产生在明渠固壁拐角和近岸区域;二次流对主流速度等值线有强烈影响,使其沿二次流流动方向凸起,在滩槽结合部表现最明显;随着滩地水深的增加,主槽涡强度相对减小,滩地涡强度相对增大,滩槽结合部主流速度等值线在更大范围向自由水面凸起,主流高速度核心区域也逐渐由主槽中部向滩槽结合方向移动;在滩地水深h/H=0.5左右时二次流最强.     

梯形断面明渠丁坝绕流水力特性三维大涡模拟

对梯型断面明渠非淹没式单一丁坝绕流水力特性进行三维数值模拟,为丁坝的设计和施工提供理论基础支持。数值模拟采用两相流混合模型,并分别选取大涡模型(LES)和RNG k-ε湍流模型封闭两相流时均方程。速度与压力的耦合使用半隐式SIMPLE算法,模拟自由水面采用了VOF法。通过不同截面流线图和流速矢量图的比较得出大涡模型能更好地捕获水流瞬时流动特性,动态再现二次流动结构;并将其模拟的丁坝后回流区域边界线与试验值对比,两者吻合良好,表明大涡模型能够很好地模拟明渠丁坝绕流的水力特性分布规律。     

复式断面横流紊动水平射流特性试验

为了揭示复式断面横流环境中三维圆形水平射流的特性,运用Micro ADV测速系统对射流流速比为12的横流紊动射流进行了实验研究,给出了射流典型横断面二次流速度的矢量图和主流速等值线图.实测速度场资料分析表明:在射流出口附近射流表现出强烈掺混和卷吸现象,主槽和边滩的衔接段存在着较强的二次流,同时射流与来流的相互作用表现出明显的分叉现象,其分叉半角为7.6°;复式断面产生的二次流有助于加速射流的分叉.实测的流动典型横断面紊动强度分布和湍动能等值线表明,射流在其核心区具有强烈紊动,且在整个流场中是各向异性的.最后给出了射流出口高度水平面的时均流速分布图.     

复式断面明渠平面准二维流场的数值模拟

通过简化宽浅明渠二维水流运动方程，得到垂线平均流速在横在横向变化的微分方程式。以此为基础，建立了一个模拟复合断面明渠平面流场的准二维水流计算模型，通过实例对模型进行了验证和对比，并分析了横向无量钢紊乱流粘性系数的取值对计算结果的影响，结果表明，该方法的计算精度明显优于传统方法。     

复式断面河道水流泥沙数值模拟

建立了复式断面河道一维扩展水流、泥沙数值模型,并且对阳泉治理河段的水流、泥沙情况进行了计算。计算结果与试验结果相比符合较好,说明了一维扩展水沙模型在实际工程上应用的可行性     

耗散粒子动力学在流动数值模拟中的应用

对耗散粒子动力学方法在流动问题中的应用进行了理论及数值研究，给出了耗散流体粒子运动的控制方程组、边界条件、数值方法及随机数据统计方法等．提出用固壁粒子层结合流体粒子反弹运动的方法来处理固壁边界有滑移流动边界条件，有效地消除了目前耗散粒子动力学及分子动力学模型在固壁附近的粒子密度波动问题．利用该方法编程计算了2类流动问题：方腔驱动流动与泊肃叶流动，计算结果与现有的理论及数值结果比较吻合，验证了所采用的数学模型、计算方法在流动数值模拟中的可行性及潜在优势．     

单个蒸汽气泡溃灭过程的边壁效应数值研究

采用数值模拟的手段,耦合流体体积(VOF)多相流模型和自然空泡模型,通过改变单个蒸汽气泡距竖直固壁和水面的距离,计算了这2类边壁共同作用下的溃灭过程.在溃灭的前期,气泡外形主要受水面边壁影响,呈远离水面向内凹陷的趋势;在溃灭的后期,固壁的影响凸显,凹陷的方向逐渐指向固壁.当气泡离固壁越近,溃灭时间越长;当气泡离水面越近时,溃灭时间越短.对固壁上的压力峰值,气泡距竖直固壁的距离起决定作用.     

感潮河段漫滩的数值模拟

运用一维和二维不恒定流嵌套计算的方法，给出带有漫滩的感潮河道水流动的计算结果．当主河道的水位、流量发生变化时，河道中漫滩区的淹露也将随之而变．因此把整个计算域划分成三个子计算域，分别用明渠一维不恒定流方程和二维浅水方程描述其中的水流动状态，并分别划分计算网格，在数值计算中将三个区域的流动互相嵌套连贯起来，最终给出包括河道和滩地漫滩的水位变化规律及水流动速度分布规律．     

绕圆柱荷电气固两相流动的数值解法

提出了一种求解绕圆柱荷电气固两相流动的数值解法，即用时间推进法求定常解，用有限差分方法离散控制方程，用人工粘性法处理固相间断面．计算结果表明，此数值解法能够处理强固相间断面，并且可用于含强间断面的悬浮体两相流动的数值计算．     

滨海斜坡复式护岸断面波浪爬坡试验研究

通过物理模型试验,研究了不规则波作用下滨海斜坡复式护岸断面波浪最大爬坡距离和爬坡流厚度,探讨了最大爬坡距离和爬坡流厚度的影响因素及其影响规律,发现两者都随着护岸前沿平均越浪量的增大而增大,同时随着距护岸前沿距离的增大,爬坡流厚度减小.在此基础上建立了爬坡距离和爬坡流厚度与各影响因素的关系,并参考相关研究成果讨论了比尺效应对试验结果的影响,当坡度小于1∶8时,比尺效应的影响在5%以内.研究结果可为工程设计和相应的数值计算提供参考.     

黄河沙坡头连续弯道水流运动三维数值模拟

用可实现k-ε数学模型对黄河沙坡头建立水利枢纽后库区连续弯道的水流运动进行了三维数值模拟.得到了不同断面处垂线平均流速分布、断面流速分布、主流流速和二次流的数值模拟结果,对部分断面弯道环流及水面处离心环流进行了模拟和分析.数值模拟结果与实测结果吻合较好,表明该模型可以用于对具有连续弯道的天然河道河流数值模拟中.     

大攻角下典型主梁断面颤振临界风速数值模拟

针对大攻角下主梁断面颤振稳定性问题,基于计算流体动力学软件ANSYS FLU-ENT用户自定义函数UDFs和动网格技术,结合Newmark-β法建立了桥梁主梁断面二维流固耦合分析方法,采用该方法在不同攻角下(0°、±3°、±5°、±8°)对薄平板和流线型箱梁断面颤振稳定性进行数值模拟研究,并将数值模拟结果与风洞试验研究结果进行了比较.结果表明:薄平板和流线型箱梁断面的颤振临界风速数值模拟结果与风洞试验结果吻合较好,验证了本文所建立的桥梁主梁断面二维流固耦合分析方法的精度.薄平板断面的颤振临界风速随攻角的增大显著降低;流线型箱梁断面在正攻角范围内颤振临界风速随着攻角的增大而降低,在负攻角范围内颤振临界风速随攻角绝对值的增加先增大后降低;当攻角较大时,薄平板断面和流线型主梁断面均表现出"钝体"特征,气流绕过断面前缘时发生分离,沿断面上下缘产生较大的涡,从而导致主梁断面颤振临界风速降低.     

探讨复式断面中均匀流水力计算

对于复式渠道的流量计算,前人已经进行过大量的研究,本文采用理论研究与水槽试验结合的方法,探讨复式断面渠道中主槽和滩地之间水流的动量传递定理,应用动量定理导出计算复式断面中均匀流水的公式。     

大涡模拟二维平面尾迹湍流拟序结构

首先采用大涡模拟方法对二维平面尾迹流进行了数值模拟,分别分析了整个流场的流动特点和近壁处展向大涡结构的形成、发展、脱落和破碎过程.然后定量计算了流场下游不同断面上流向时均速度分布、流向时均湍流强度分布以及流向相均速度的分布情况,并与Yang等最近所做的实验进行了对比分析.数值结果表明大涡模拟方法可以较好地模拟二维平面尾迹流.     

植被作用下复式渠道的三维湍流数值模拟

针对浅水植被作用下的渠道流动特征,建立了三维标准的k-ε双方程湍流数学模型,模型考虑了植物拖曳力对水流的影响,植物阻力作为源项被加入到各方程中.曲线网格被应用模拟复杂边界的区域,变量采用部分交错网格布置,利用控制体积法离散控制方程,采用由二维深度平均方程演化而来的2D泊松方程计算三维自由水面,应用SIMPIEC程式求解离散的方程.通过实验室局部带有刚性植被的顺直矩形水槽和滩地种植植物的复式顺直水槽进行了数值模拟研究,给出了测量断面带有植被和未带有植被的速度对比结果及速度、湍流动能等值线图,计算结果和测量结果符合得较好.通过对比分析发现,未种植植被的水槽主流分布在整个渠道断面,种植植被后,由于植被拖曳力的影响,使得主流流速分布发生了改变,主槽流速增大,滩地流速降低,滩地上计算的纵向流速出现了S型的分布,在植物顶部和临近主槽一侧水流的交界面湍动能最大.     

离心泵压水室内部流动数值模拟

基于标准的κ-ε双方程紊流模型,采用SIMPLEC算法,在贴体坐标系下,通过求解三维Navier—Stokes方程,对一离心泵压水室内部流动进行了数值模拟和分析,得到了内部流动的主要特征、研究表明：按常规水力设计方法设计的压水室,在压水室径向断面内存在明显的二次流．速度矩也有明显的梯度．这些流动现象可能是导致压水室损失较大的主要原因．     

明渠水流临界水深的研究

本文首先说明了目前通用的明渠水流临界水深公式只适用于平底明渠缓变流,然后从理论上对任意底坡明渠急变流的断面单位能量和临界水深进行了分析.在考虑了离心力对急变流断面动水压强分布的影响后,导出了任意底坡明渠急变流的断面单位能量和临界水深的关系式,分析了明渠急变流的断面单位能量随水深的变化规律.同时还对流线的凹向、流线曲率半径及水面坡度对临界水深的影响进行了分析,论证了趺水处和曲线型实用堰堰顶的水深均小于按现有公式计算的临界水深的原因.最后,对曲线型实用堰堰顶水深进行了验算,结果与实测较为一致.     

光滑壁面明渠水流的三维格子玻耳兹曼模拟

明渠水流与泥沙运动、河床演变等问题密切相关,明渠水流特征的研究对于揭示明渠水流作用下的泥沙运动机理具有十分重要的意义.为此.应用新型数值模拟方法三维格子玻耳兹曼方法对明渠均匀流进行了研究.首先介绍了格子玻耳兹曼方法的理论基础、边界条件处理以及流动的驱动方式,接着分别模拟了明渠层流和光滑壁面紊流的近底水流运动.结果表明,得到的明渠层流流速和切应力分布与解析解吻合较好,同时较好地反映了光滑壁面明渠紊流的流速分区结构、紊动特性和阻力规律,从而说明格子玻耳兹曼方法在明渠水流模拟中具有较好的适用性,为进一步采用该方法研究明渠流近底泥沙颗粒运动机理奠定了基础.