Depth-averaged Nonlinear k-ε Model and Technique for Its Program Development

Without the 'rigid lid' assumption, the depth-averaged linear k-ε model can describe the change of water depth. However, it is incapable of accurately simul ating turbulent flows, where the normal Reynolds stresses play an important role. A de pth-averaged nonlinear k-ε model is developed taking into account the stress relations described by Speziale. The depth-averaged linear and nonlinear k-ε models can both be used to calculate the flow field near a side discharge into open-channel flo w, but the results of the nonlinear model are in much closer agreement with experimental re sults. Furthermore, the technique of changing the 2D linear k-ε program i nto a depth-averaged, nonlinear program is presented.     

Computing Depth-averaged Flows Using Boundary-fitted Coordinates and Staggered Grids

Introduction　　Foropenchannelflow,thedepth-averagednonlineark-εmodelisvalidwhenthewidth-to-depthratioislargeandtheverticalvariationofthemean-flowquantitiesisnotsignificant.Fornaturalirregularboundaries,acoarsegriddistributionresultsin‘stairstepped’or‘blockedoff’approximationswhichmayresultinpoorresolution.Theboundary-fittedcoordinatestechniqueisusedtoovercomethesedeficiencies.Withboundary-fittedcoordinates,thecollocatedgridsystemisoftenusedtosimplifytheprogrammingbutthismaycreatea‘check…     

大曲率结构化表面湍流流场特性对比研究

湍流模型选择对于小尺寸大曲率圆管内软性磨粒流湍流流场模拟计算具有重要影响.针对此问题,提出使用标准k-ε模型与考虑两相磨粒流平均流动中的旋转及旋流流动情况的重整化群(RNG)k-ε模型进行仿真对比研究的方法.基于颗粒动力学理论的欧拉模型,对软性磨粒流的控制方程进行求解.通过使用两种湍流模型,对小尺寸大曲率圆管内湍流流动进行仿真计算,得到了两湍流模型下软性磨粒流流场的速度、压力、湍动能等数值模拟结果.仿真结果对比分析表明:标准k-ε模型模拟得到的速度值与实验值存在一定误差,而RNG k-ε模型仿真的速度值误差相对较小;标准k-ε模型对湍动能的估值计算比RNG k-ε湍流模型高,难以计算有滞止点的流动过程;RNG k-ε湍流模型能更有效地模拟有大曲率带分离的湍流流动,从而证明该模型更适合小尺寸大曲率圆管内软性磨粒流湍流流动的研究.     

房间内强自然对流的两方程模型模拟研究

强自然对流是火灾时的主要流态之一,利用标准火灾房间内的基准实验数据,比较了工程上常用的3种两方程k-ε模型在预测大功率热源引起的强自然对流时的效果,即Standard(标准)k-ε模型,RNG(重整化)k-ε模型和Realizable(可实现)k-ε模型.研究发现火灾房间内存在垂直方向的下低上高的温度分层,且加热量越大,垂直温度分层的梯度也越大.Standard k-ε模型计算得到的热源附件的湍流动能最大,湍流黏性也最大.总体而言,Realizable k-ε模型的模拟效果稍好于Standard k-ε和RNGk-ε模型.3种k-ε模型预测的温度场准确度比自然对流速度场要高.在房间的中央位置,水平方向的室外流入气流与浮升力气流相互作用导致流态复杂,两方程模型在模拟这一现象时效果不佳.     

基于实验观测的分域湍流模型在通气超空化中的评价

为建立一种可以准确高效预测通气超空化流动的湍流模型,结合数值计算和实验结果,对绕锥头回转体通气超空化流动特性进行研究.实验采用高速录像观察了通气空化随时间的流场变化;数值计算中,分别应用标准k-ε湍流模型和密度分域的湍流模型计算了绕锥头回转体通气空化流动.其中,密度分域的湍流模型是在实验观测的基础上建立,即在空泡的前端含气量较大的区域应用DCM模型,以体现附着型空穴的可压缩性;在空泡尾部含气量较大的雾状空泡区域应用FBM湍流模型,以捕捉多尺度的空泡涡团结构.研究结果表明:与标准k-ε湍流模型相比,基于密度分域的湍流模型计算的结果与实验观测的现象基本吻合,有效减小了通气空化空泡区域内的湍流黏性,可以捕捉空泡区域内多尺度旋涡结构的演化过程,进而可以准确地预测通气超空化空泡断裂脱落的非定常流动细节.      

自搅拌反应器内液相流动的数值模拟

采用数值模拟方法研究了压力能驱动的自搅拌反应器内液相流场的分布规律.首先对标准κ-ε模型、RNG κ-ε模型、realizable κ-ε模型下的模拟结果与PIV实验结果进行对比,确定了合适的湍流模型;然后研究了不同入口压力、液位高度对反应器内流场分布的影响.结果表明:标准κ-ε模型能更精确地模拟该反应器内的流场分布,反应器内流场稳定时间为12s以上.增加入口压力和液位高度均有利于反应器内流体速度均匀分布,入口压力为3MPa时几乎不存在速度死区.     

群体高层建筑风效应的数值模拟

基于计算流体力学软件平台FLUENT6．3,分别采用标准k-ε模型和RNGk-ε湍流模型,模拟了典型风向角下广州珠江新城利通广场作为单体建筑和处于高层建筑群中的表面风压分布和周围风环境,并与风洞试验结果进行了对比分析．研究表明：数值模拟得到的风压系数结果与风洞试验具有一致的趋势,但标准k-ε模型的结果与风洞试验相差较大,而RNGk-ε模型的结果与风洞试验较为吻合．利通前方的大尺寸低矮建筑可能减小利通各面上的风压．另一方面,利通前方的高层建筑群产生的遮挡效应使其迎风面上的风压系数减小,而利通侧风面和背风面的其他高楼引起的狭缝效应使利通上的风压增加．此外,通过流场数值模拟可对高层建筑群的风环境进行评价．     

采用 k-ε湍流模型的喷水推进器性能预报

采用结构化网格离散计算域,利用稳态多参考系法求解RANS方程,对喷水推进器内流动进行数值模拟．为评估不同湍流模型在喷水推进器性能预报中的适用性,计算时分别采用了标准k-ε模型、RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型．将计算值与厂商提供值进行对比,结果表明：3种湍流模型都可较好地预报喷水推进器的功率,最大误差小于3％,但在预报喷水推进器推力特性过程中差异较大．综合分析后认为其在喷水推进器性能预测中的表现优劣次序依次为RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型和标准k-ε模型．     

泵站前池底坝整流数值模拟研究

基于N－S方程和标准的k－ε紊流模型,采用交错网络系统,对泵站前池底坎整流的流动进行数值模拟,准确预测了底坎整流的流动场结构,数值分析结果表明底坎分离流动主要经历了阻水、边界层分离、再附和充分发展四个过程,研究发现水流过坎后旋滚区长度决定了底坎的设置位置,文中提出的数值方法,可用于准确矛盾坎后的旋长长度和底坎位置,通过计算结果与实验资料相比较,表明模拟结果是可信的。     

湍流模型对结晶器内流场数值模拟结果的影响

以Fluent 6.3为计算平台,采用数值模拟的方法研究了5种常用湍流模型对电磁制动下连铸板坯结晶器内钢液流动计算结果的影响,并与水模型和实测结果进行了对比.结果表明:标准κ-ε和低雷诺数κ-ε模型的计算结果与实际流场较为接近,而重整化群κ-ε和剪切应力输运κ-ω模型与实际流场相差较远.不同湍流模型计算得到的弯月面形状...     

燃气轮机火焰筒肋化壁面逆流气膜冷却的数值模拟

针对燃气轮机火焰筒肋化壁面逆流气膜冷却的问题,建立了火焰筒内壁面冷却传热的流固耦合数学模型.考虑湍流切应力的传播,近壁利用k-ω模型的鲁棒性,捕捉黏性底层的流动.主流区域利用k-ε模型避免k-ω模型对入口湍流参数过于敏感的劣势.SST k-ω模型是用混合函数将k-ω模型和k-ε模型结合互补所取得的更适合本问题的湍流模型.数值分析结果清晰展示了计算域流体的流场、温度场及火焰筒肋化壁面的温度场分布,并与文献中的实验结果符合良好.     

狭缝射流冲击柱状凸形表面流动换热特性

采用数值方法研究了狭缝射流冲击柱状凸形表面的流动换热特性,通过四种湍流模型计算结果与实验数据对比,确定了湍流模型适用性.以压力梯度分布为依据,重点分析了狭缝射流沿柱状凸形表面的流动结构和边界层分离特点及柱状凸形表面的强化换热特性.结果表明:RNG k--ε和Realizable k--ε模型具有预测适应性;狭缝射流冲击至柱状凸形表面,气体沿表面运动,速度降低,并在流动下游发生边界层分离;量纲一的逆压梯度随量纲一的曲率半径(D/B)的减小而增大,使得边界层分离更早出现;驻点区域换热Nu随量纲一的曲率半径(D/B)的减小而获得增强,但流动进入下游后,D/B对换热基本无影响;压力梯度是影响狭缝射流冲击柱状凸形表面换热分布的重要因素.     

全氧燃烧对喷火焰空间气流场和温度场的数值模拟

选用 k-ε 湍流模型、涡-耗散化学反应模型与 DO 辐射传热模型,以甲烷为燃烧气体,在全氧燃烧条件下,改变助燃气体氧气体积分数,模拟对喷火焰空间的气流场和温度场分布。研究表明：在对喷火焰空间中,气流发生对撞,形成温度较高的环流区域;随着氧气体积分数增大,甲烷喷入火焰空间的速度方向趋于发散,火焰温度增高,甲烷燃烧空间减小,火焰变得细长,高温区与玻璃液面的距离变大;抬高碹顶、错排喷枪、降低喷枪与玻璃液面距离和调节喷入燃料量可以改进对喷火焰空间温度场分布。     

立式多级筒袋泵诱导轮及首级叶轮内的空化流动模拟

为了改善立式多级筒袋泵的空化性能,研究其内部的空化流动规律,采用基于质量输运方程的混合流空化模型和标准k-ε模型,运用大型通用计算程序ANSYS CFX,计算了立式多级筒袋泵内的三维湍流空化流动的临界空化数,并与实验进行对比。基于数值计算的结果,分析了较小流量及较大流量运行工况下该泵的空化流场。研究表明:采用诱导轮改善了泵的空化性能;从小流量至大流量,泵内的严重空化区域由诱导轮转移至首级叶轮。本文采用的空化流动模拟方法可较好地预测立式多级筒袋泵在设计流量附近的平均空化性能。     

缩放型喷嘴产生的空化射流流场数值模拟

应用Standard k-ε,RNG k-ε和Standard k-ω湍流模型对缩放型喷嘴内部湍流流场进行数值模拟,结合理论及质量流量测试试验对数值模拟结果进行对比验证.结果表明:RNG k-ε湍流模型最适合用于数值模拟缩放型喷嘴内部的湍流流场;RNG k-ε湍流模型数值模拟结果显示缩放型喷嘴收缩角使喷嘴喉管部产生了低压场,压差的产生使水射流的空化效果得到了提高.     

多孔分散微结构混合器中流动及其混合性能的CFD模拟

在对多孔分散微结构混合器内流动现象进行分析的基础上,选择标准的k-ε模型和多环境模型,以商业CFX软件为基本工具,建立了模拟多孔分散微结构混合器的几何模型,对于孔半径为10,20,30,50,70μm的微结构混合器内的流动、混合性能进行了模拟,并利用模拟结果讨论了孔径、流速等因素对于混合性能的影响规律。     

用低雷诺数NH模型模拟室内混合对流气流组织

利用标准两方程模型、低雷诺数NH模型,分别对室内空气流动换热的速度场、温度场、湍动能场进行了模拟,将计算结果与实验结果进行了对比分析.研究表明,低雷诺数NH模型能对室内空气流动换热的速度场、温度场、湍动能场进行较好的数值模拟,标准两方程模型的模拟的准确性较差.     

搅拌强度对浮选机内液-固两相流场特性影响

采用标准k-ε湍流模型和流体颗粒模型对容积为20 L的KYF浮选机内液-固两相流场特性进行了数值模拟.研究结果表明:浮选机内流场呈上下两循环分布,混合、上升区流速高于分离区;在混合及上升区,颗粒运动速度与其粒度呈反比关系,在分离区则呈正比关系;定子、转子表面高压区均位于叶片迎风面,其表面绝对压力与搅拌强度呈正比关系;搅拌强度增加,混合、上升区的矿物颗粒体积分数降低,分离区体积分数增加;混合、上升区固相体积分数与其粒径呈正比关系,分离区呈反比关系;转子转速为600r/min的搅拌强度更有利于提高该浮选机工作性能.     

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.     

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.