复式断面明渠中污染物混合输移的数值模拟(Ⅰ)——复式断面二次流的模拟

采用L-Y雷诺应力模型，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．和实测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，并进一步分析复式断面明渠二次流运动的流动结构和特性．发现二次流主要产生在固壁拐角和近岸区域，其中最突出的位置是滩槽结合部，存在明显倾斜指向主槽自由水面的二次流；主流速度等值线被二次流强烈影响凸向二次流指向．     

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.     

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．     

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。     

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.     

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.     

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.     

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.     

弯道水流的混合有限分析解

建立了基于曲线拟合坐标系下的平面二维弯道水流数学模型,采用混合有限分析法进行了离散,对强弱弯曲河道矩形断面水流进行了数值计算.弱曲率弯道主流速度沿弯道外岸逐渐增加,在离心力作用下主流最大流速由凸岸逐渐向凹岸转移;且弯道水流的水面为一扭曲面,凹岸的水位线常形成上凸曲线,凸岸的水位线常形成下凹曲线.水面形态和流速重分布与相关文献实验结果符合良好,表明混合有限分析法与曲线拟合坐标的结合是一种可适用于弯道水流计算的有效格式.     

冲积床面上明渠水流湍流特性及其与底层泥沙起动关系的试验研究

利用声学Doppler测速仪测量了明渠水流在不同水深、流速、泥沙粒径情况下的瞬时流速分布和泥沙起动流速,研究了可动粗糙床面明渠水流的湍流特性.利用实测断面流速分布,采用非线性回归拟合出对数律流速分布的各参数,进而参照Эегжда的实验曲线研究了冲积床面上明渠的阻力分布规律,计算出各断面的相对脉动强度、Reynolds应力、湍流动能,并对各种不同情况下的明渠湍流分布规律进行了比较,描述了各粒径泥沙在不同水深情况下的起动流速以及泥沙起动时明渠底层各湍流特征的变化情况,研究探讨了冲积床面上明渠湍流各特征量的变化分布规律以及泥沙起动与水流湍流特性的内在关系.     

液氮通过受热U型管传热特性的数值模拟

对单相液氮通过受热竖直U型管的传热特性进行了三维数值模拟.采用结构化网格，并对近壁面处网格加密,对网格无关性和模型有效性进行了验证.将入口速度、出口压力和均匀壁面热流密度作为边界条件及利用标准的k-ε紊流模型和CFX 4.4求解器求解.模拟结果发现：在U型弯头上游直管中，流体温度形成中心低四周高的分布形式；在U型弯头内，流体被二次流重构，温度较低的流体流向管外侧，温度高的流体则流向管内侧；在U型弯头下游直管中，中心低四周高的温度分布逐渐得到恢复.通过分析，曲率比对下游努赛尔数影响明显，其影响区域可用下游努赛尔数达到极小值来衡量；存在一曲率比，使下、上游努赛尔数百分比达到极小值.最后，将模拟得到的平均努赛尔数与不同的经验关联式作了比较.     

脉动流对壁面边界层流动的数值研究

为了研究非稳态尾迹对平板表面流动和换热的影响,本文将非稳态尾迹引起的主流速度脉动简化为正弦变化,通过数值的方法研究了脉动频率和振幅对平板壁面边界层流动和换热的影响,研究结果表明:边界层内的速度、壁面温度、壁面摩擦系数和平均换热系数随着时间的变化做周期性脉动;边界层内流动与主流之间存在着相位差,壁面距离越小,相位差越大;边界层内的速度和壁面摩擦系数脉动幅度的大小与主流脉动频率和振幅成正比;壁面温度和壁面平均换热系数的波动大小与主流脉动频率成反比,与脉动振幅成正比,当主流脉动频率和脉动振幅增加到一定值后,靠近壁面的地方出现回流,回流强度与脉动频率和振幅成正比。     

原状花岗岩残积土大孔隙细观渗流场的格子Boltzmann模拟

选取福州某地原状花岗岩残积土作为研究对象,基于计算机断层扫描(CT)图像与格子Boltzmann方法,通过自编程序研究原状土样在大孔隙域中的细观渗流规律.结果表明:孔隙连通性好、孔径大的区域流体流速较大,且呈闪电状分布,而在孤立孔隙中流体无法流通;大孔隙渗流过程中存在明显的"指进效应",孔道中间流速最大,可达格子速度0...     

微纳尺度下Couette流动的分子动力学模拟

为了研究微纳尺度下流体密度、壁面剪切速度以及不同材料的壁面对流体流动特性的影响,采用分子动力学方法对流体在微纳尺度下的Couette流动进行模拟。研究结果表明:随着流体密度增加流体与壁面作用力增大,壁面对近壁流体的束缚也增强,近壁面处流体粒子自由运动减弱导致流体扩散能力下降,同时流体等效黏度随密度增加而增大,滑移量减小;壁面剪切速度增大,导致近壁面处流体粒子数减少,流体等效黏度降低,流体粒子在通道中更容易进行无规则自由运动使其扩散能力增强;通过改变壁面材料,发现金属壁面作用力强于非金属,在金属材料近壁面处更容易吸附较多流体粒子,导致金属壁面附近流体等效黏度较大,滑移量相对较小。     

闽江河口三维潮流和余流特征及污染物运动轨迹的数值模拟

基于河口、陆架和海洋沉积物(ECOMSED)模型,将干湿网格判别技术引入潮汐潮流的漫滩过程,建立闽江河口的三维斜压潮流数值模型;开展闽江口潮流、余流的三维动力学特征研究,并基于Lagrangian粒子示踪法进行污染物迁移轨迹的模拟.结果表明:潮流受闽江径流作用影响明显,落潮流速大于涨潮流速;与涨急时相比,落急时的流速呈现明显的分层现象,且随水深的增大而逐渐减小,流速减小的幅度较大;北支水道余流强度大于南支水道;垂向上,表层余流流速大于底层余流流速,表、中层余流以落潮余流为主,而底层余流则以涨潮余流为主.粒子追踪的模拟结果表明:涨憩时刻是较理想的排污时间,梅花水道与川石水道以南沿岸是较理想的排污口位置,表层排放的污染物更容易且更快向闽江河口外迁移.     

分汊河道近底水流特性试验研究

近底水流结构是影响泥沙起动、床面变形以及航道整治建筑物稳定性的直接因素.以长江中游武汉天兴洲段这一典型分汊河道为原型,开展物理概化模型试验,通过对比纵横向测点的流速差异,分析分汊河道近底流速分布特性以及近底水流脉动变化规律.结果表明:河床地形对近底水流时均流速有一定的影响,分流区内时均流速沿横向分布较为均匀,而汊道段时均流速沿横向和纵向上分布均有波动,总体上河床高的地方流速大,且与测点处的水深呈负相关;脉动强度与该点处时均流速之比称为相对脉动强度.江心洲逆坡段的滩槽交界区域水流结构复杂,相对脉动强度大,在平直的滩顶段则是滩面处的相对脉动强度最大.     

白鹤电厂泵房进水间导流板倾角优化数值模拟

基于Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,采用非结构化网格和SIMPLEC算法对白鹤发电厂二期工程取水泵房进水间流道进行优化计算,并对进水间前导流板角度变化时流态变化进行比较计算,确定较优的导流角,增强泥浆泵的排沙效果.计算结果表明当前导流板角度为30o和后导流板角度为35o时有较好的流态,此时流道底板附近流速较大,并且整个流道内有较强烈的湍动流产生,大部分泥沙可以达到冲淤平衡.对多泥沙河流泵房取水间的设计、运行及维护有一定的参考价值.     

Infrared experiment on the wall temperature distribution for a particle packed channel with constant heat flux

With constant heat flux, wall temperature distribution for a particle filled channel was measured using infrared thermal vision technology. It was found that nonuniform relative high-temperature regions were randomly distributed on the heating wall, possibly due to the lower flow velocity, or even due to the blocked flow near the points where particles contact with the heating wall directly. Not only porosity but also the size and shape of the pores are changed in the wall region of particle-packed structures, because of the limitation of the wall, and the changes affect largely the fluid flow and heat transfer. The transition of the flow pattern in pores can be inferred according to the variation of Nu with Re, where the area weighted wall temperature is adopted to calculate the Nu.     

水力机械三维分离准则的探讨

水力机械的分离为三维流动，三维流动的侧向压力梯度产生边界层的二次流动。文中将边界层内的速度分布分为近壁粘性层和接近于主流的外层两部分，通过研究垂直于主流方向的二次流动和主流的相关性，结合三维分离线的邻近流动特性分析提出了通过主流流场参数和沿流向的二维边界层流动来判断三维流动分离的准则。在垂直于三维分离线的截面内，其流动性态和二维分离相类似。边界层的二次流动和侧向压力梯度，以及二者的相互作用是影响水力机械三维流动分离的重要因素。当主流逆压梯度的方向与二次流动的方向均在主流方向一侧时，流动的三维效应使得三维流动比二维流动不容易分离。当主流逆压梯度的方向与二次流动的方向分别在主流方向的两侧时，三维流动较易产生分离