二元混合流床面剪应力特性的初步研究

本文叙述用Preston管量测的二元混合流各典型流态的床面剪应力分布,结合实验结果,对二元混合流名典型流态的床面摩阻特性进行了理论探讨。在此基础上,对特例混合流床面摩阻特性进行了定量分析。     

高超声速圆锥边界层转捩反转数值研究

为研究高超声速边界层转捩中存在的转捩反转现象,基于雷诺平均的N-S方程,采用γ转捩模型对高超声速圆锥体绕流进行数值模拟,得到了圆锥边界层转捩位置随攻角、头部钝度的变化规律,分析了圆锥边界层转捩反转现象的流动机理.结果表明：当圆锥头部钝度增大到一定值时,圆锥边界层转捩位置随攻角增大呈现迎风面提前、背风面推迟的反转现象;圆锥边界层转捩出现攻角反转现象时,迎风面摩阻系数明显大于背风面摩阻系数且转捩前后摩阻变化更大,此时应重点关注迎风面的热防护;在零攻角条件下,随着圆锥头部钝度从很小值逐渐增大,圆锥边界层转捩位置呈现出“N”型反转现象;圆锥头部钝度增大到一定值时出现的边界层转捩反转现象的可能原因是随钝度增大头部激波后熵层高度显著增大引起的.     

非线性波作用下非对称沙纹床面流场特性数值分析

海床上的沙纹对泥沙输运和波浪衰减有着重要的影响.通过数值波浪水槽研究了非线性波作用下非对称沙纹床面底层的流动特性.控制方程为雷诺时均方程和 k-ε紊流模型.入射波为椭圆余弦波,采用PLIC-VOF法追踪自由表面.通过数值模拟得到了不同波浪条件下的瞬时速度场和涡量场.计算结果表明:非线性波作用下,非对称沙纹床面两侧的涡动强度不相等,涡量值与波浪参数密切相关;波浪非线性增强,涡量值增大,最大涡量值对应的相位角减小;涡量值大小的变化与外流场速度变化不同步达到最大,随着Ursell数增大,涡量值在小相角下达到最大值.     

有压管道的非恒定摩阻模型

在有压管道水击计算中,传统准恒定摩阻模型不能准确描述快速瞬变流动过渡过程。该文介绍在快速瞬变流数值模拟中应用最为广泛的两类非恒定摩阻模型:物理理论基础模型和准恒定流经验修正模型,前者以引入历史速度权函数为特点,后者考虑非恒定流加速度对摩阻项的影响。该文比较了两类非恒定摩阻模型的优缺点、适用范围以及研究发展方向和待解决问题等,得出的结论是物理理论基础模型对于快速瞬变层流过渡过程有较好的应用性;经验修正模型则适用于高Re紊流快速瞬变过渡过程。     

振荡流底边界层运动的数值研究

将大涡模拟法简化为二维形式,利用SGS格子涡模型封闭二维Navier-Stokes方程水流运动方程组,得到平底振荡流动边界层立面二维水流数值模拟,控制方程采用SMAC法求解,计算结果与水槽实验的实测资料比较较表明,该模型能够模拟振荡流边界流动特性,并进一步讨论了振荡流边界的紊动特性沿垂线分布和随相位变化的情况。     

有压管道的非恒定摩阻模型

在有压管道水击计算中,传统准恒定摩阻模型不能准确描述快速瞬变流动过渡过程。该文介绍在快速瞬变流数值模拟中应用最为广泛的两类非恒定摩阻模型:物理理论基础模型和准恒定流经验修正模型,前者以引入历史速度权函数为特点,后者考虑非恒定流加速度对摩阻项的影响。该文比较了两类非恒定摩阻模型的优缺点、适用范围以及研究发展方向和待解决问题等,得出的结论是物理理论基础模型对于快速瞬变层流过渡过程有较好的应用性;经验修正模型则适用于高R e紊流快速瞬变过渡过程。     

明渠减速流下床面摩阻流速研究

针对明渠非均匀流,采用立面二维数值试验的方法,并将雷诺应力垂线分布计算结果延伸至床面,以此计算减速流情况下床面摩阻流速,得到了不同壅水下床面摩阻流速的计算结果.研究表明:在壅水情况下,当流量和底坡相同时,壅水段摩阻流速随水深的增加而逐渐减小;在相同水深和底坡下,摩阻流速随流量的增加而增大;在相同流量和水深下,摩阻流速随底坡的增大而增大.为满足工程中计算的需要,根据数值试验结果拟合得到了明渠水流壅水情况下床面摩阻流速的实用计算式.     

连续油管螺旋段摩阻压耗数值模拟

根据流体力学理论,以连续性方程和N-S方程为控制方程,对连续油管螺旋段牛顿流体流动进行数值模拟,研究螺旋段的流动特性及其摩阻压耗的变化规律,在此基础上以迪恩数和曲率为自变量、考虑曲率和管路的几何尺寸对摩阻系数的影响,建立一套针对牛顿流体预测螺旋段摩阻系数的回归公式,并与精选的几个适用性较强的预测公式进行对比。结果表明:由于二次流的存在,螺旋段的流动压耗较一般直管段大,且不能忽略;回归公式在层流和紊流区预测结果与适用性较强的公式结果具有很好的一致性,验证了用数值模拟方法研究螺旋段的可行性。所提出的螺旋段摩阻压耗预测公式可为连续油管流体力学研究提供方法和理论上的支持。     

非对称不规则沙纹床面流动稳定性特征的理论研究

沙质床面在水流从其上流过之后通常都不能保持其平整性, 随着水流强度的增加, 会依次出现沙纹、沙垄等的床面形态. 在这几种床面形态中, 沙纹的尺度是最小的, 刚出现时一般是对称的, 但随着时间的推移, 逐渐发展为非对称形态. 沙纹的这种不对称性, 一方面体现了水流对床面形态的影响, 另一方面也对作用在其上面的层流及其稳定性特征产生重要影响. 我们就非对称沙纹床面上明渠层流稳定性特征做详细探讨, 并与对称沙纹床面上的层流稳定性特征做了比较.     

紊流风特性参数对方形结构表面脉动风荷载影响研究

紊流风特性参数如紊流强度与紊流积分尺度的试验模拟精度会影响风洞试验结果,导致不同的风振响应.为得到影响规律,分析了紊流风特性参数对方形结构表面脉动风荷载的影响.为减小干扰因素,利用格栅形成局部紊流场,在此流场中研究紊流强度或紊流积分尺度单参数变化,其它参数不变对结构表面脉动风荷载分布规律的影响.结果表明:方形结构底部区域的概率分布曲线与高斯分布吻合较好,随来流紊流强度增大,分布曲线较高斯分布偏移幅度有增大趋势.紊流强度增大会导致脉动风压系数增大,方形结构迎风面中上部区域对紊流强度非常敏感.紊流积分尺度对脉动风压系数的影响很小,来流积分尺度越大,水平相关性与竖向相关性越好.     

面流、戽流的床面压力脉动特性

本文介绍了作者关于面流、戽流床面压力脉动特性试验研究的主要成果。通过对260个点脉动压力数据的分析证明,将面流与戽流床面压力脉动数据视为正态分布是符合实际的。本文还给出了半极差系数K值的取值范围,并讨论了脉动压力系数Cp′沿床面的分布规律以及各主要流态下床面脉动压力的频谱特性。试验结果表明,流态对半极差系数K的取值、脉动压力系数沿床面分布规律以及脉动压力的频谱特性均有显著的影响。     

可冲刷坡面滚波影响因素的数值模拟研究

运用能够模拟可冲刷坡面滚波的一维水沙耦合数学模型,对床面形态起伏、冲淤厚度及含沙量沿程变化等因素对滚波形态的影响进行研究,并比较水沙耦合与非耦合模型数值模拟结果的差异.结果表明床面形态起伏越大,滚波的波幅及周期变化越剧烈,滚波周期与床面形态起伏的对应关系越明显;冲淤厚度对滚波运动特性的直接影响不明显,但河床发生冲淤变化后,床面的起伏形态发生相应变化,进而对滚波的运动特性产生较大影响.水沙耦合与非耦合数学模型相比,滚波形态模拟结果差异较大,因此对坡面起伏明显、水沙输移强度较大的山区坡面流数值模拟应采用能够更好的模拟水沙输移规律的水沙耦合模型.     

近床面风沙流的颗粒拟流体大涡模拟分析

通过气相大涡模拟与基于颗粒动理学理论的颗粒相湍流拟流体模型进行耦合,对近床面风沙气固两相三维运动进行了数值计算。相同来流风速下,对跃移层内沙相速度、沙相浓度及沙粒脉动均方根速度沿近床面高度变化进行了统计分析,对比了模拟参数结果与相关实验值之间的差异。结果表明:所建计算模型能较好地揭示近床面风沙流特性,低沙相浓度运动模拟中2种曵力系数模型计算得到的各个宏观参数统计量趋于一致;跃移层内沙相平均流向速度随近床面高度的增加呈递增趋势,沙相浓度随近床面高度的增加呈递减趋势,沙相流向脉动均方根速度在跃移底层呈现单一峰值状。模拟结果获得了与相关实验结论相类似的变化规律,得出准确选取沙粒碰撞弹性恢复系数是准确揭示沙相速度脉动强弱的关键。     

水气两相均质瞬变流二阶有限体积法数学模型

采用有限体积二阶Godunov格式对水气两相均质流瞬变现象进行建模和模拟研究.在均质流控制方程中引入动态摩阻,采用二阶Godunov格式求解,运用MUSCL(守恒定律的单调上游中心格式)方法进行二阶线性重构,同时为避免虚拟振荡引入MINMOD(斜率限制器函数);提出双虚拟边界法进行边界计算,实现了计算区域的所有控制体包括边界同时达到二阶精度且计算更简便.将所建模型计算结果与已有模型计算结果、试验数据进行对比,并对模型各参数进行敏感性分析,结果表明:本文模型能更好地模拟试验压力,并有效避免虚假数值振荡,提高了计算结果稳定性和精确度;随着初始气体含气率的增加,波速降低,水气两相均质流的瞬变压力峰值逐渐减小、波动周期延长.     

基于欧拉双流体模型的风沙运动模拟

针对风沙运动的复杂性,基于N-S方程和标准k-ε湍流模型,利用CFD商业软件Fluent 6.3中的欧拉双流体模型,数值模拟了在不同摩阻风速、不同颗粒粒径下风沙流场随时间的变化情况,给出了风沙流达到稳定状态时所需的时间和给定空间位置上沙粒相体积分数的分布曲线.模拟的主要结果与已有的文献报道相一致,从而说明该模型可以用于风沙颗粒流体体系的动力学特性研究.     

陡坡紊流边界层的分析与计算

本文依据紊流边界层的动量方程和连续方程,利用流速分布的对数律,推导了陡坡紊流边界层的发展厚度δ和水深h的计算式,并与原型观测资料进行了对比。结果证明,本文所推公式和原型观测资料完全一致,同时,本文还推导了陡坡摩阻流速的计算式,所得成果对计算陡坡的切应力提供了依据。     

液体管道瞬变流摩阻的计算方法

在液体管道瞬变流计算中,传统的拟恒定摩阻模型不能准确描述瞬变流的真实物理现象。多年来人们一直在研究瞬变流摩阻的精确表达式和计算方法。总结了液体管道中瞬变流摩阻的计算方法,着重阐述了瞬变流非恒定摩阻问题的主要研究成果,介绍了几类有重要价值的非恒定摩阻模型及相应的应用范围,并给出了各类模型进行数值计算的思路,最后通过算例验证了非恒定摩阻模型比传统的拟恒定摩阻模型能更精确地模拟液体管道瞬变流压力波的衰减和波形畸变。     

液体管道瞬变流摩阻的计算方法

在液体管道瞬变流计算中,传统的拟恒定摩阻模型不能准确描述瞬变流的真实物理现象。多年来人们一直在研究瞬变流摩阻的精确表达式和计算方法。总结了液体管道中瞬变流摩阻的计算方法,着重阐述了瞬变流非恒定摩阻问题的主要研究成果,介绍了几类有重要价值的非恒定摩阻模型及相应的应用范围,并给出了各类模型进行数值计算的思路,最后通过算例验证了非恒定摩阻模型比传统的拟恒定摩阻模型能更精确地模拟液体管道瞬变流压力波的衰减和波形畸变。     

垂直管不同黏度下油气水三相流压降规律研究

为研究垂直管不同粘度油气水三相流压降变化规律以及建立新的三相流压降预测计算方法,依托于中石油气举试验基地多相流试验室,对垂直上升管道中不同粘度油相下的油气水三相流动进行模拟。在固定油水比条件下,通过调整不同油相粘度、气液比、气液流量等参数进行油气水三相流试验,研究油相粘度对油气水三相管流压降变化影响规律。利用CFD软件参考试验工况模拟油气水三相流动,确定在不同粘度条件下气液两相分布情况,通过CFD软件模拟确定油水两相在充分混合后可视为单一非牛顿流体混合相。基于CFD模型结果,将三相流看作油水混合相与气相的两相流动,考虑粘度对摩阻系数的影响,根据非牛顿流体剪切特性建立了新的摩阻系数计算方法,基于M-B模型重新建立了新的压力计算方法。对比试验数据与计算结果,发现压降计算模型误差范围在15%内,满足工程实际需求,说明压降模型具有实用性。     

用标准k-ε模型求解二维紊动淹没射流

本文认完整的纳维埃—斯托克斯方程出发,分别采用紊动粘性系数为常数的紊流模型相标准k-ε紊流模型,求解船闸中的二维紊动淹没射流。计算结果与实测结果值的比较表明,标准k-ε模型远优于常数模型,它能准确地预测紊动淹没射流涡旋区的非边界层型的复杂流态及紊动动能的分布。