管壁均匀密集加糙圆管流的新总流机械能方程及流动数值模拟

能量(机械能)方程是水力学的理论基础;能量损失(机械能损失)的计算既是水力学乃至工程流体力学的主要研究内容之一,也是工程实际中颇为关注的问题。以往水力学中的能量方程系以重力场中理想不可压缩流体的伯努利方程为基础而得到,其既不能直接反映紊动对流动的作用,能量损失也无明确的表达式。本文在我们现有研究工作基础上,通过理论分析与数值模拟,得到如下成果:(1)构建了管壁均匀密集加糙圆管流的新总流机械能方程;(2)通过数值模拟,对管壁均匀密集加糙圆管流的机械能损失及其构成进行了研究。构建的方程包含了紊动的作用;研究成果表明,均匀密集加糙圆管流总流机械能损失与雷诺数及管壁光滑度有关,且可分解为与时均流速梯度相关的损失及与紊动耗散相关的损失两部分。     

基于惯性耗散法的峡口岬角地形能耗分析

珠江河口峡口岬角地形(或者称"门")是珠江河口典型的高能耗区,研究其消能机制,对于解释珠江河口宏观动力现象,提高对河口动力过程的认识有重要意义。本文设计了峡口岬角局部突变地形的湍流能耗特性物理模型试验,采用Son Tek 16MHz ADV采集了高频流速数据,统计了时均流速及湍流特征量。利用"惯性耗散法"计算了峡口岬角突变地形与明渠水流的湍流动能耗率。峡口岬角地形的突变特征产生明显的形态阻力,本文试验工况引起的紊动强度量值是明渠的2倍到10多倍,湍流剪切应力较明渠水流大近2个数量级,湍流动能是明渠水流的40多倍,湍流动能耗散率比明渠水流湍流动能耗散率大2~3个数量级。从湍流局部平衡及能量传递理论看,峡口局部形态阻力导致时均流速的空间梯度、切应力增大及形成大量更小尺度的涡是湍流能耗率增加2~3个量级的重要原因。     

复式断面明渠浅滩水深及雷诺数对湍流结构影响的大涡模拟研究

天然河流主槽和滩地间存在复杂的水体交换和混掺。利用大涡数值模拟(LES)研究复式断面明渠浅滩深度和雷诺数对湍流结构的影响,研究结果表明:明渠二次流强度和脉动强度在主槽浅滩深度比为1/2时最大;滩槽交界区二次流对顺流向流速结构有较大影响,并使紊动能发生重分布;复式断面明渠二次流强度和脉动强度随着雷诺数的增加逐渐增大并趋于稳定。     

管流与明渠层流的总流机械能方程及机械能损失计算

管流与明渠流同属流体力学中的内流,其总流机械能方程在水力学中称为总流能量方程。现有水力学中的总流能量方程是以理想不可压缩液体的伯努利方程为基础得到的,无法得到总流机械能损失的表达式。该文作者曾直接从黏性不可压缩流体运动的控制方程出发分别得到了管流及明渠流的总流机械能方程,解决了以上问题。考虑到层流条件下明渠流自由表面的变形特点,该文在前述工作基础上,将管流及明渠流在层流条件下的总流机械能方程进行了统一,同时还分别计算了管流(圆管、不同长短半轴比的椭圆管、不同宽高比的矩形管和不同内外径比圆环管)及明渠流(不同宽深比的矩形明渠)在层流条件下的总流机械能损失系数。结果表明:在同一雷诺数条件下,圆管层流的总流机械能损失系数比椭圆管层流、矩形管层流、圆环管层流及较大宽深比的矩形明渠层流的机械能损失系数要小。     

簇状分布的刚性双层植被明渠紊流特性分析

采用RNG k-ε 紊流模型,对簇状分布的刚性双层植被明渠水流进行了模拟和分析;根据时间及空间的双平均方法对植被明渠水流的流速及紊动参数进行了统计。结果表明:簇状分布的植被明渠水流可以分为植物区、间隙区及主流区,不同区域时均流速的大小和分布各异;双层植被明渠水流中,时均流速垂线分布在近床面、低植物顶部附近及高植物顶部附近均出现拐点,脉动强度和紊动能的最大值出现在高植物顶部附近。     

带自由表面后向台阶流的数值模拟研究

后向台阶流是工程领域中一类常见的流动现象,也是流体力学中复杂剪切流动的一个典型例子。针对自由表面对后向台阶流场的影响,在总结前人研究成果的基础上,本文利用VOF方法追踪自由表面,采用realizable k-ε紊流模型封闭控制方程,建立立面二维数值模型,对带自由表面后向台阶流进行了模拟研究。模拟得到4种特征雷诺数工况下,台阶后纵向流速、紊动能、耗散率、边界压力值和水面流速的沿程分布。模拟结果与原型实验观测结果吻合较好。根据模拟结果,对台阶后流场随特征雷诺数变化的规律以及自由水面对台阶后流场分布、漩涡结构和压力值的影响进行了分析讨论。     

有无植物条件下明渠水流紊动特性对比

在可变坡水槽中,模拟了带枝杈植物对明渠水流的干扰作用,借助超声多普勒流速仪(ADV)测量了不同水深下垂线不同测点的瞬时流速,计算了各测点的三维时均流速、脉动强度及雷诺应力等紊动参数,通过与无植物干扰的明渠均匀流紊动特性进行对比,分析植物对水流紊动参数的影响规律。试验结果表明:在有植物明渠水流中,时均流速呈三区分布特征;脉动强度及雷诺应力均在植物顶部附近出现最大值;脉动强度明显增大,在3个方向上趋于接近;可以用植物顶部以上的雷诺应力分布推求摩阻流速。     

明渠湍流发夹涡包形成及湍动能分布特性

湍流结构是湍流运动研究中最为基础的问题。为了解明渠湍流结构相互作用的动力演变关系,该文采用高频高分辨率粒子成像测速系统对充分发展的明渠湍流进行纵剖面二维流速矢量场进行测量,对发夹涡及发夹涡包结构与高低速流团的动力演变关系以及发夹涡结构内部的湍动能分布特性进行分析。结果表明:发夹涡及发夹涡包结构可以由高低速流团相互作用而产生;发夹涡涡核只位于高低速流团的交界区域。近壁区发夹涡结构的喷射(Q2)过程为产生湍动能的主要区域。而湍动能耗散主要集中在高低速流团的交界区域。明渠湍流近壁区为湍动能的主要产生与耗散的区域。     

天然明渠减速流超大尺度湍流结构特性初步研究

为探究天然明渠减速流中超大尺度湍流结构特性,使用声学多普勒剖面流速仪(ADCP)和声学多普勒流速仪(ADV)对重庆河段开展了单条垂线以及水面区域固定点的三维瞬时流速测量,对紊动强度、超大尺度湍流结构波长以及湍动能占比等进行了分析。初步结果显示:在天然明渠减速流中仍然存在超大尺度湍流结构,其纵向尺度在沿水深方向上表现为先增大后减小的变化趋势;减速流中超大尺度湍流结构能够在水面区域维持自身结构且携带着大部分的湍动能。     

明渠岸墙上相邻二点脉动流速和脉动压强的一些统计特征的试验研究

一、前言当明渠水流的雷诺数Re>580时,水流属于紊流,水质点强烈紊动并相互混掺。流区内各点的流速和压强等运动要素,在空间上和时间上均具有随机性质的脉动值。因之,可以把水流中任一点的流速和压强作为时间的随机函数。近年来国内外不少学者,为了解决水流引起水工建筑物的振动等问题,应用随机过程理论来分析紊流运动要素的     

The mechanical energy equation for total flow in open channels

The mechanical energy equation is a fundamental equation of a 1-D mathematical model in Hydraulics and Engineering Fluid Mechanics. This equation for the total flow used to be deduced by extending the Bernoulli＇s equation for the ideal fluid in the streamline to a stream tube, and then revised by considering the viscous effect and integrated on the cross section. This derivation is not rigorous and the effect of turbulence is not considered. In this paper, the energy equation for the total flow is derived by using the Navier-Stokes equations in Fluid Mechanics, the results are as follows：（1） A new energy equation for steady channel flows of incompressible homogeneous liquid is obtained, which includes the variation of the turbulent kinetic energy along the channel, the formula for the mechanical energy loss of the total flow can be determined directly in the deduction process.（2） The theoretical solution of the velocity field for laminar flows in a rectangular open channel is obtained and the mechanical energy loss in the energy equation is calculated. The variations of the coefficient of the mechanical energy loss against the Reynolds number and the width-depth ratio are obtained.（3） The turbulent flow in a rectangular open channel is simulated using 3-D Reynolds averaged equations closed by the Reynolds stress model（RSM）, and the variations of the coefficient of the mechanical energy loss against the Reynolds number and the width-depth ratio are discussed.     

The calculation of mechanical energy loss for incompressible steady pipe flow of homogeneous fluid

The calculation of the mechanical energy loss is one of the fundamental problems in the field of Hydraulics and Engineering Fluid Mechanics. However, for a non-uniform flow the relation between the mechanical energy loss in a volume of fluid and the kinematical and dynamical characteristics of the flow field is not clearly established. In this paper a new mechanical energy equation for the incompressible steady non-uniform pipe flow of homogeneous fluid is derived, which includes the variation of the mean turbulent kinetic energy, and the formula for the calculation of the mechanical energy transformation loss for the non-uniform flow between two cross sections is obtained based on this equation. This formula can be simplified to the Darcy-Weisbach formula for the uniform flow as widely used in Hydraulics. Furthermore, the contributions of the mechanical energy loss relative to the time averaged velocity gradient and the dissipation of the turbulent kinetic energy in the turbulent uniform pipe flow are discussed, and the contributions of the mechanical energy loss in the viscous sublayer, the buffer layer and the region above the buffer layer for the turbulent uniform flow are also analyzed.     

辐流式沉淀池液固两相流力学特性三维数值模拟

采用两相流混合模型,选取RNG k-ε湍流模型封闭两相流时均方程,对辐流式二次沉淀池液固两相流力学特性进行三维数值模拟。采用有限体积法求解微分方程;紊动能、紊流耗散均采用Quick离散格式;速度与压力耦合求解时使用了压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法。通过模拟获得了速度场、紊动能和污泥质量浓度等参量在空间的分布规律,对沉淀池的设计有一定的参考价值。     

台阶式溢洪道相对流速和相对消能水头的关系

流速和消能水头是重要的水力参数,但在台阶式溢洪道中尚无系统研究成果。将台阶式溢洪道流速、消能水头与对应光滑溢洪道流速、消能水头对比,引入相对流速、相对消能水头的概念。通过对0.5,1.0,2.0 m 3种不同台阶高度,38.66°坡度的台阶式溢洪道进行试验研究,探讨了流速、消能水头,相对流速、相对消能水头之间的关系。结果表明:非均匀流流态下流速、消能水头呈曲线关系,不便分析应用;相对流速和相对消能水头表现出良好线性关系,相关系数0.973 7~0.995 9,证实了引入相对流速、相对消能水头的必要性。     

明渠岸边横向取水口的三维数值计算

本文是在明渠岸边横向取水口的试验研究基础上的配套数值模拟。采用雷诺平均的N—S方程，以各向异性的雷诺应力模型(RSM)封闭方程组，用SIMPLEC算法对压力—速度场求解。计算结果与试验实测结果吻合较好，反映了此项模拟的可信性，可籍以扩大、分析一些运动规律。数值计算结果启示了横向取水口水流的复杂三维流动特性，据之对取水口附近水流各区的划分、水流的分离和反向流动、螺旋流以及床面剪应力的分布等复杂水力和泥沙输移物理现象有了进一步认识。     

开孔促淤板周围水流紊动特性试验研究

为深入了解开孔促淤板周围的水流特性,通过室内概化水槽试验分析了开孔促淤板前后的水流紊动特性,采用声学多普勒流速仪(ADV)测量了开孔促淤板前后典型断面上的三维瞬时流速,分析了典型断面上的时均流速、紊动强度、雷诺切应力和紊动能的分布规律。试验结果表明:板后近板区出现回流区,且回流区与开孔促淤板格栅位置相对应;板后水流相对紊动强度、雷诺切应力及相对紊动能明显大于板前,开孔促淤板对板后近板区水流影响较大;随着与开孔促淤板距离的增大,回流现象消失,流速变化趋于稳定,水流相对紊动强度减小且最终趋于稳定,相对紊动能出现折减且折减率逐渐降低;靠近近板区xOy面雷诺切应力大于yOz面雷诺切应力,靠近下游xOy面雷诺切应力与yOz面雷诺切应力相差较小。     

湍浮力射流形成后区特性的预报

应用作者所提出的数学模型和计算方法,对浮力射流形成后区的特性进行了预报。得出中性浮力点以前的形成后区,可分为非浮力区、过渡区和卷流区。得到了非浮力区和卷流区的时均流速、时均温差、雷诺切应力、湍动能及其耗散率的分布和湍动能的平衡。这些预报结果与试验资料基本吻合。     

推移质运动对清水和宾汉体泥浆湍流结构的影响

通过试验研究了清水湍流和泥浆湍流中加入推移质后时均流速分布、脉动强度、概率密度分布、相关系数、频谱密度分布等的变化.试验结果证明,清水和泥浆湍流中加入推移质后时均流速减小,时均流速梯度增大,脉动加强.泥浆过渡区湍流上部为层流,有流核,加入推移质后,上部层流转变为湍流,流核消失.分析证明,这是由于推移质运动增大了雷诺应力和时均流速梯度,因而增大了时均流动向脉动传递的能量的缘故,清水湍流中加入推移质后脉速概率密度分布偏离正态,偏态系数加大.泥浆湍流中加入推移质后相关系数降低,脉动的随机性增大.泥浆湍流的脉动能量集中于低频脉动.由于推移质也可以吸收低频脉动能来支持其运动,所以加入推移质后泥浆湍流的低频脉动能量降低,高频脉动能量增大.