三峡水库近坝区三维流场及温度场的数值模拟

基于三维不可压缩流动的N-S方程建立水流水温模型,模型在动量方程中考虑浮力作用并取消了静水压力假定,采用大涡模拟紊流模型计算紊动扩散,并考虑水面散热及其太阳辐射的影响因素,适合于对复杂流态及其有密度分层流动的数值模拟。应用所建立的数学模型对三峡近坝区从庙河至坝前水域的三维流场及温度场进行了数值模拟,计算出的水温分布与坝前观测的水温分布二者符合良好。模拟结果表明,三峡水库在蓄水至139 m水位时,垂向没有明显的水温分层,与实测结果相符。     

应用K—ε模型模拟三维分层流

本文引用涡粘性和涡扩散的假定建立了模拟分层流Ｋ－ε模型。该模型综合考虑了分层流的特点和密度变化的影响。并对ｖｔ中的Ｃμ进行了浮力修正。从而建立的数学模型出发，采用ＳＩＭＰＬＥ方法求解速度和压力耦合的方程组，模拟了矩形池的流场、温度场及温差分层流、计算模拟温度场分布与实验观测基本符合，并较好地反映了分层流的密度效应。     

粗糙床面振荡紊流边界层运动的三维格子玻尔兹曼模拟

该文采用格子玻尔兹曼(LB)方法建立了紧密排列颗粒粗糙床面振荡紊流边界层模拟的三维数学模型。收集粗糙床面波浪水槽实验结果,对水槽实验条件下的振荡流边界层进行模拟,模拟得到的平均流速、紊动特性、等效粗糙高度、摩阻系数和边界层厚度等与实验结果进行了全面对比,并对三维涡旋结构进行了分析。结果表明,所建立的LB数学模型可以合理模拟粗糙床面振荡流边界层流动,能够反映三维涡旋特性,可进一步应用于粗糙床面振荡流紊动特性以及床面粗糙参数的研究。     

一个模拟密度分层流特征的改进三维数值模型

为实现对强密度分层流的数值模拟,本文对Boussinesq近似及静压假设进行了讨论。并根据密度分层流的特点,在质量流量守恒条件下对通用POM模型的连续方程、动量方程及湍流模型方程进行了必要的改进。应用改进的三维数值模型,对两组盐度差下的分层流动进行了模拟。结果表明：在环境水体垂向密度变化不明显的情况下,采用静压假设是可取的。但对于环境水体存在明显密度分层的情况,由于垂向密度变化较大,静压假设并不适宜。相对原模型,改进模型得到的盐度等值线更加平稳,盐度垂向变化的梯度更大,计算结果更符合密度分层流的特征。     

表层排放温水在陡岸型深水中温度层化的测量与模拟

为了研究水体温度分层现象与规律,针对表层排放温水在陡岸型深水中的温度分层现象进行了测量和模拟。首先建立一个表层排放温水在陡岸型深水环境中对流扩散的试验模型,利用温度同步测量系统测量了模型中水体温度场随时间的变化。然后,利用TELEMAC-3D软件建立了一个相应的三维流场与温度场数值模型。根据试验数据对模型进行率定,并开展与试验对应的模拟。结果表明,温度分层后水体从上至下可分为表层同温层、密度跃层和下部滞温层。数值模拟结果与试验结果吻合,所建立的数值模型可作为研究水体温度分层现象和规律的工具。通过分析模拟结果中水体温度分层与理查德森数(Ri)的关系,验证得到判断温度场分层与混合的理查德森数(Ri)临界值为0.25。     

分层水库污染物输移影响因素分析(I)-入库条件影响分析

在分层水库密度流流动典型过程分析的基础上,引入进口密度弗汝德数表征水库入库条件,采用三维非线性RNG浮力流模型对分层水库污染物输移的典型过程进行模拟,分析了入库条件对污染物输移的影响,探讨了入库条件对污染物在不同密度流流动区域射流区、交换区、潜流区的输移扩散规律,从而为水库水质、水生环境管理与调度、水库应急预警方案的制定提供参考.     

有限植被群水流尾流场特征的数值模拟研究

绕植物群流动通常被简化为绕柱群流动问题,而多孔介质模型可用于概化植被对水流的影响。该文基于自主开发的自由表面水流计算模型HydroFlow?,建立了多孔介质水流模型。该模型采用坐标变换捕捉自由表面,湍流模型选用SST k-ω两方程模型。开展了不同植被密度(Φ=0.03, 0.1, 0.22, 0.38)及植被相对水深高度(hv/H=0.25, 0.5, 0.75, 1)条件下的数值模拟研究。通过对比已有的物理模型实验测量数据,验证了数值模型的模拟精度和可靠性。基于设计工况的计算结果分析,提炼得到综合考虑了植被相对水深高度和植被密度影响的特征变量(hv/H)/CDaD。研究结果表明,植物群落后的溢出流速Ue和尾流区剪切层发展长度L1均与该特征量满足对数增长规律。分析尾流场的流动特征,在植被尾流流动的自由恢复阶段,横断面内流速分布均具有相似性,满足平面尾流方程,且该相似性与植被密度和植被淹没深度相关性较弱。     

单山包和多山包绕流数值模拟研究

本文分别采用标准k-e模型、重整化数群k-e模型(RNG k - e )和雷诺应力模型(RSM)对 二维单山包和多山包绕流进行了数值模拟,并将单山包和多山包绕流计算模拟结果与实验结果做对比 分析。结果表明:(1)三种模型计算结果与实验数据基本吻合。对于单山包和多山包绕流数值模拟, 三种模型是适用的。(2)不论平均速度,湍流动能还是回流区长度,k-e两方程模型计算结果都略好 于二阶矩模型(RSM)o (3)在充分发展湍流条件下数值模拟山包绕流,标准k-e模型计算模拟结果 比RNG k一e模型略好。     

圆柱形植物斑块水动力特性的大涡模拟研究

为阐明天然河道典型植物群落的水动力特性,该文使用基于浸没边界法的大涡模拟技术,构建了以半透性圆柱斑块为植物群落的水动力数学模型,开展了不同的植株密度下三维水流数值模拟研究,并根据水槽实验数据对该数值模型的可靠性进行了验证.研究结果表明:流经半透性植物斑块的水流可分为两侧绕流及贯穿流动,且斑块的阻流效应与其植株密度呈现正...     

分层环境中水库密度流运动特性研究

该文采用水槽试验对稳定温度分层水库的密度流运动进行了模拟.通过不同的试验方案,模拟了不同温度分层条件下密度流运动形态,分析了水体分层强度和出口条件对密度流运动的影响,并在此基础上,对不同水库运行方式下密度流运动特征进行了模拟研究.该文研究结果为水库水质、水生环境管理与调度以及水库应急预警方案的制定提供了参考.     

双螺旋尾涡结构和内波实验研究

密度分层流体中物体统流的实验研究从六十年代中期起蓬勃开展起来。在1967年Mowbray和Rarity发表了三张纹影照片,但是没有涉及到尾涡结构。在这期间,不少学者研究了水平运动产生的内波,到了1977年Pao和Kao首先报导了用弱分层的方法揭示了在小Richardson数R_i=0.215和雷诺数Re=4×10~3～2×10~4情况下在均匀流中圆球的尾涡具有封闭末端双螺旋结构。Merzkirch和他的学生用光学技术得到清晰的内波波型照片,对圆柱垂直运动实验和理论结果作了比较。近些年来,稳定性研究和三维分离流动中流面分叉及涡构架研究有新进展。为了搞清楚密度分层流体中的尾涡结构、内波和尾涡的关系、内波产生的机理,在1983年我们建立了分层流水箱设备。从实验中我们发现:在低雷诺数Re≈10~2情况下,分层流体中圆柱绕流的尾涡具有双螺旋结构,双螺旋的二支以相反的方向连续地缠绕在一起。这与Pao和Kao水平运动圆球尾流中涡结构有类似的现象。在有倾角情况下,涡管在运动中发生变形。可以认为,实验结果有助于剪切流动现象的研究以及对湍流的发生、发展和衰变机制的进一步理解。 本实验使用直径D=20mm,长度70mm的不锈钢圆柱模型,该模型水平地悬挂在分层流水箱框架中的带有滚珠轴承滑块上。圆柱与水平轴成45°和90°倾角向上和向下被拖着     

应用K─ε湍流模型模拟空腔内热分层流动

本文应用常规Ｋ─ε湍流模型对空腔内的稳态和非稳态热分层流动进行了数值模拟，主要包括以下三方面的工作：１．空腔内恒温强迫对流流动的模拟；２．空腔内稳态热分层流动的模拟；３．空腔内非稳态热分层流动的模拟。计算结果和实验结果进行了比较，说明常规Ｋ─ε模型能较好地模拟热分层流动的平均温度分布，将对该模拟方法进一步应用于工程问题有重要的指导意义。     

明渠不恒定分离流数值模拟及试验验证

本文应用平面二维不恒定流数学模型成功地模拟了不恒定分离流的回流。通过与相应的明渠不恒定分离流的试验结果比较,流动图案、回流长度及正反向最大流速均相吻合,从而证明本文所依据的数学模型是正确的。     

突发性危险化学品水污染扩散过程的模拟

将突发性危险化学品水污染迁移扩散过程与自由水面流动联系起来,利用两相流理论建立三维瞬态自由水面流动的VOF压缩性模型。建立危化品迁移扩散的浓度压缩性模型,该模型能体现自由水面上水和空气相对速度对危化品迁移的作用。在VOF和危化品界面重构方法上采用高分辨率格式。数值模拟非淹没丁坝附近三维水流、岸边排放危化品和弯曲水槽中危化品扩散,模拟结果与试验结果及其它数值结果作了比较,表明本文建立的数学模型能准确地模拟水流三维特性突出的自由面、流场和危化品迁移扩散过程。     

sigma坐标系下的三维水流数值模拟探讨

建立了基于sigma坐标系下的浅水三维水动力学数学模型,采用混合有限分析解法对其进行离散和求解。分别对近海区域的表面风引起的回流、密度驱动回流和振荡潮波3种典型流态进行了数值模拟试验,并将计算结果与理论分析解进行了对比验证。数值模拟试验准确地模拟了3种典型流态的流速和水位分布,证实了所建立的数学模型和求解方法的可行性和有效性,为研究更为复杂的近海水动力学流态提供了一个有效的方法和工具。     

温度分层海洋表面的波动特性

海洋中的温度/密度分层是一种普遍现象。该文基于N-S方程,结合Airy波浪理论和VOF两相流模型,数值模拟了分层海洋中的波动特性。通过与理论解的对比验证了数值模型的有效性。研究了波浪作用下的海面波动特征、温度/密度分层情况下波动的传播过程以及密度分层对波动抑制的影响。研究发现,在海面处、下层海水处,温度波动并不符合明显的正弦特性,存在着"削峰"现象,更接近于"方波"的特性,体现了由温度分层导致密度变化所引起的抑制效应。该文的结论对研究海洋表面热量交换、营养物质的输运、船舶航行和波浪的传播等具有借鉴意义。     

掺气减蚀设施后沿程掺气浓度的数学模拟

由流场中气泡主要随大尺度涡体随机运动而运动的物理模型,建立气泡符合Markov链过程随机游动数学模型,并简化为一步转移随机游动模型,已知初边值条件后,可实现计算机模拟气泡游动,求解气泡源后断面气泡密度分布.具体提出渐变流场内参数u_y,(u′_y~2)~(1/2)和K值及边界条件确定方法,使掺气减蚀设施后断面掺气浓度分布和有效保护长度可以得解.     

溢流堰过堰流动的数值计算

工程上溢流堰的过流能力以及堰面压强分布多采用水工模型试验方法确定。利用三维的流动数学模型,κ-ε模型封闭紊流,流体体积分数法(VOF)追踪自由表面,对一座WES实用堰和一座宽顶堰的过堰水流进行了数值模拟。模拟计算结果与物理模型试验结果对比表明,WES实用堰的流量系数计算值为0．4953,其实验值为0．4842,二者仅相差2％左右,计算的堰面压力与实验值吻合较好;计算的宽顶堰流量系数也与实验值非常一致。数值模拟方法是可行的。     

应用K—ε湍流模型模拟空腔内热分层流动

本文应用常规Ｋ－ε湍流模型对空腔内的稳态和非稳态热分层流动进行了数值模拟，主要包括以下三方向的工作：１．空腔内恒温强迫流流动的模拟；２．空腔内稳态热分层流动的模拟；３．空腔内非稳态热分层流动的模拟。     

考虑大孔隙的土壤入渗模型

为了研究大孔隙对土壤入渗及侵蚀的影响,建立了一个土壤入渗数学模型。模型包括2个流区:①基质流区,该区水流由达西公式模拟;②大孔隙流区,运用运动波方程以及与大孔隙形状相关的参数进行水流模拟。大孔隙流区和基质流区水量交换在质量守恒方程中作为汇项,而在基质流区连续方程中则是作为源项来考虑,大孔隙壁对基质的入渗通过扩散方程来模拟。通过土柱试验验证模型对入渗结果的模拟,试验观测土柱底部的出流量,用TDR探针在规则时段间隔记录土壤含水量。验证结果表明所建立的模型能够充分模拟土柱底孔出流过程线和含水量的时间变化。