低雷诺数非线性k—ε湍流模型及其应用

本文发展了一人低雷诺数非线性ｋ－ε湍流模型，其特点是考虑了湍动能及湍动能耗散速度的非线性扩散过程，采用了一个非线性雷诺应力表达式，引入了壁面修正函数以考虑湍流的近壁低雷诺数效应。应用该模型计算了湍流槽流和湍流库埃特流。与实验结果的比较表明，所建模型对包括近壁区在内的整个计算域的各湍流量都能给出非常满意的预测结果。     

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。     

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。     

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。     

横流中射流及其温度标量输运大涡模拟

将动力拟序涡黏性亚格子应力模型拓展到温度标量亚格子模型中,数值模拟了横流条件下有、无温度标量场作用的射流,得到的横流条件下浮力射流的温度和速度分布与Anwar的试验值吻合一致。在此基础上,分析了有、无温度标量场作用下射流回流区域大小和射流轨迹线特性,对比分析了回流区域内涡心和分离点处湍动能和耗散率、拟涡能以及边界层处拟序结构等湍流特性。计算结果表明:温度场的作用使射流的回流区域增大,射流速度轨迹线高度增加,回流区域内湍流的湍动能增加,边界处拟序结构的周期性不如无温度场时明显。     

基于能量比系数的圆柱栅绕流LES方法研究

圆柱阵列流场不但是工程上常见的流动换热结构,而且绕流问题与湍流涡发展研究密切相关。该文采用数值模拟算法研究了不同雷诺数下的单列圆柱栅绕流的不可压缩流动。比较了非定常RANS方程计算得到的湍动能和耗散率,引入湍流能量比系数对初始计算网格进行重新划分和局部加密,进而建立适宜于大涡模拟网格尺度,其结果与PIV和RANS结果进行对比。结果表明,在湍流流场区域能量比系数达到30%-40%的情况下,就可得到工程实际需要的精确计算结果,这大大减少LES算法所需要的计算网格总数和时间。     

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性

为研究水泵水轮机在泵工况下的内部流态变化对压力脉动和转轮叶片受力的影响,采用SAS-SST湍流模型对某一模型水泵水轮机的多个非设计工况进行非定常数值模拟,分析了水轮机内部流态对导叶与转轮之间无叶区、尾水管内的压力脉动和转轮叶片径向受力的影响。结果表明:在流量为40%～80%设计流量时,导叶区内产生旋转失速,转失速涡团初生于固定导叶进口,并随着流量的降低向活动导叶进口发展,且覆盖区域逐渐增大。旋转失速使压力和过流沿周向不均匀分布,导致压力脉动和转轮径向受力波动大幅上升。在40%设计流量时,失速涡团发展最为充分,无叶区压力脉动和转轮受力波动的低频分量幅值最高。旋转失速产生的低频脉动可向尾水管传播,形成的低频压力脉动幅值约为无叶区低频脉动幅值的10%。当流量低于40%设计流量时,导叶区旋转失速消失,复杂的涡结构形成的压力脉动低频成分没有周期性。此外,转轮进口的流动分离使尾水管内产生复杂的回流涡结构,导致尾水管内形成频谱丰富的压力脉动;流量降低使转轮进口回流涡结构的湍动能增加,导致尾水管内压力脉动幅值大幅上升。小流量工况下,转轮进口的涡结构演变是转轮径向力波动的主要影响因素。     

浸没式人工刚性植被群分布对弯道水流特性的影响

自然弯曲河流中,浸没式植被的存在及分布会改变其水动力特性,进而影响弯曲河道泥沙输移及底床变化。该研究采用180°U形折叠往返式水槽模拟天然弯道河流,木棒模拟刚性植被,运用声学多普勒流速仪(AcousticDoppler Velocimeter, ADV)进行测量,分析不同人工浸没式植被的分布对弯道纵向流速分布、湍流动能(Turbulence Kinetic Energy,TKE),环流强度以及湍流谱分布等的影响。实验结果表明,在植被顶部出现流速的最大值。浸没式植被和弯道都会加剧水流紊动效应,湍流动能最大值出现在植被顶部稍往下区域,且进入弯道以后最大值的位置明显下移。不同的植被群分布使得湍流动能的分布情况不同,凸岸植被减小了无植被区(凹岸)的湍流动能,而凹岸植被增大了无植被区(凸岸)的湍流动能。浸没式植被的存在使得植被区和无植被区的弯道环流方向相反。此外,通过湍流谱分析,植被和弯道都会增强湍流强度,且小湍涡增多;植被与无植被的交界区(横向和垂向)都会增加水体之间的掺混,使得湍流在交界区域明显变强。     

基于平均流动动能输运的离心叶轮内能量损失及其机理分析

叶轮内能量损失是影响离心泵水力性能的关键因素,为探明离心式叶轮内的能量损失特性,本文采用可直接求解大尺度湍流结构的超大涡模拟方法对某低比转速离心叶轮三种流量(分别为1.0,0.6和0.25倍设计流量)下的内部流动进行数值模拟,基于平均流动动能输运研究叶轮内的流动特征、能量损失特性及其机理。通过积分平均流动动能输运方程的直接黏性耗散项和湍动能生成项,分别计算直接黏性损失和湍动能生成对应的平均流动动能损失,建立流场特征与能量损失的关联,获得流场中能量损失的空间分布特征。结果表明,叶轮内直接黏性损失集中在近壁区,且随流量降低而显著减小;湍动能生成是平均流动动能损失的主要形式,其与叶轮内流动的剪切效应直接相关,在叶片压力面,脱流和分离涡形成强剪切流动,湍动能生成项周向-周向分量(P_θθ)和径向-周向分量(P_rθ)将增加周向和径向速度脉动而使湍动能增加,径向-径向分量(P_rr)则减小速度脉动的径向分量,从而抑制平均流动动能转换为湍动能;对于叶片吸力面分离流动及叶轮出口回流所形成的强剪切流动,P_rθ和P     

倾斜水射流冲击移动平板的流动分析

该文采用雷诺应力湍流模型(RSM)和Simplec算法对倾斜冲击淹没射流下移动平板表面的流动特性进行数值分析,得到了不同入口雷诺数、入射角度和不同平板移动速度下平板表面流场的流函数分布和平板近壁面湍动能分布。研究结果表明,斜射流下冲击点下坡侧产生了旋涡区,此旋涡随板速的提高而被压缩,其中心逐渐向射流中心区靠近。此外,相同条件下滞止点处的近壁湍动能最大,湍动能峰值位置随平板的移动而同向移动,并随入射角的降低而远离射流的几何中心。     

明渠湍流结构对粒子运动跟随性影响综述

近年来大量学者通过室内试验、现场观测以及数值模拟等方法对明渠湍流中粒子的运动规律进行了深入细致的研究,逐步揭示了明渠湍流中粒子运动复杂性的本质和规律,并将成果应用于河流泥沙输移、河流地貌演变以及生态环境保护等多个领域。鉴于明渠湍流具有明显的分区效应,其湍流流速分布、分区结构组成以及相干结构分布特性等对水中粒子的运动过程均会产生显著影响,对水中粒子在明渠湍流结构中的整体运动规律、湍流结构内区以及外区的运动过程进行了总结;重点阐述了近壁区粒子运动规律的反常现象和原因,以及湍流结构中粒径、密度和Stokes数这3个影响粒子运动过程的主要因素。研究成果可为泥沙运动以及生态保护等研究及应用提供参考。     

圆管湍流近壁结构的DPIV实验研究

采用粒子数字图像测速(DPIV)对充分发展的圆管湍流进行了研究，测量结果和直接数值模拟结果的比较，表明作者开发的DPIV技术可取得满意的精度。在此基础上通过瞬时脉动速度场对圆管湍流的近壁结构进行了研究，并在近壁结构中检测出涡诱导的喷发和扫掠、低速条带和流向涡结构等拟序结构，而且发现低速条带和涡的诱导是低速流体喷发的必要条件。     

雷诺数对近壁面圆柱绕流和壁湍流相互作用结构特性的影响

该文采用流动显示和PIV对近壁面放置圆柱的流场进行了精细测量,重点研究了不同雷诺数下近壁区圆柱绕流与壁湍流的相互作用规律、尺度演化规律及标度律特性。当雷诺数从10 600降至4 800时,波数能量级串标度行为呈现从-5/3至-1变化规律。而联合概率密度分析发现随雷诺数的下降,大尺度结构出现的概率降低,而雷诺数在5 600-8 200时出现了第二象限双峰现象,即尾迹的垂向尺度发生了变化。通过POD分析,圆柱绕流涡脱落受壁湍流的影响规律:高雷诺数时,上侧流向涡增强,近壁面条带结构含能量低,随雷诺数减小而逐步转化,特别是在8200时,脱落涡的二次涡能量传递明显,而雷诺数低于3 800以下时,则没有二次涡出现。     

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性

为研究水泵水轮机在泵工况下的内部流态变化对压力脉动和转轮叶片受力的影响,采用 SAS－SST 湍流模型对某一模型水泵水轮机的多个非设计工况进行非定常数值模拟,分析了水轮机 内部流态对导叶与转轮之间无叶区、尾水管内的压力脉动和转轮叶片径向受力的影响。结果表明: 在流量为 40% ～80%设计流量时,导叶区内产生旋转失速,转失速涡团初生于固定导叶进口,并随着流量的降低向活动导叶进口发展,且覆盖区域逐渐增大。旋转失速使压力和过流沿周向不均匀分布, 导致压力脉动和转轮径向受力波动大幅上升。在40%设计流量时,失速涡团发展最为充分,无叶区 压力脉动和转轮受力波动的低频分量幅值最高。旋转失速产生的低频脉动可向尾水管传播,形成的低 频压力脉动幅值约为无叶区低频脉动幅值的10%。当流量低于 40%设计流量时,导叶区旋转失速消失,复杂的涡结构形成的压力脉动低频成分没有周期性。此外,转轮进口的流动分离使尾水管内产生复杂的回流涡结构,导致尾水管内形成频谱丰富的压力脉动; 流量降低使转轮进口回流涡结构的湍动 能增加,导致尾水管内压力脉动幅值大幅上升。小流量工况下,转轮进口的涡结构演变是转轮径向力波动的主要影响因素。     

淹没堆积体附近水流特性研究

堆积体的存在对其附近水流结构产生明显影响，在通过水槽试验数据验证数值模拟结果良好的基础上，开展淹没堆积体附近流场数值模拟研究。结果表明：堆积体在处于淹没状态时，对堆积体顶部以下的水流仍然起到有效调节作用。在近床面流层，高紊动区是主流扩散所导致的，随着流层上升，高紊动区的分布范围和强度主要受到回流区的控制。涡量较大的区域产生于堆积体表面流场、回流区与主流区的交界范围内，由于这两个区域的涡量较大，因此可能更有利于堆积体颗粒的起动及泥沙输移。     

轴流泵叶轮叶顶区空化流的数值模拟与实验研究

为分析大流量工况下轴流泵叶顶区空化流场特性,采用修正的空化模型和SST k-ω湍流模型以及结构化网格技术,对南水北调工程某一轴流泵模型叶顶区流场进行数值模拟,并分析其大流量工况下叶顶间隙内的轴向速度和湍动能分布特性,揭示了叶片不同弦长截面的空穴分布和压力场的关联性。采用高速摄影技术,对叶顶区不同空化数下的空化流场进行实验测量,并与数值计算结果进行对比分析。研究结果表明,叶轮叶顶区空化主要分布在叶顶间隙区、泄漏涡卷吸区和涡带区域。在大流量工况下叶顶区空泡分布起始于叶顶叶片弦长中间位置,随着叶顶翼型弦长系数的增加,由叶顶角涡引起的间隙空化从叶顶压力面拐角处发起,并覆盖叶顶间隙区;泄漏涡空化区随着泄漏涡的产生、增强和耗散,与之对应也具有空化初生、发展和溃灭的过程。在大流量空化严重工况下,流动分离诱导叶片压力面前缘约50%区域出现片状空化,叶片吸力面中后部也形成了片状附着空化,同时叶顶区刮起涡空泡、泄漏流空泡和叶顶泄漏涡空化涡带并存,严重堵塞了叶轮流道。     

明渠恒定均匀流机械能损失构成分析

明渠水流机械能损失的确定是水力学乃至工程流体力学中的重要内容。从明渠均质不可压缩液体恒定总流出发,以流体力学中黏性流体运动数学模型为基础,本质上揭示了机械能损失的构成和相互转化关系。成果表明矩形明渠均匀流紊流的机械能损失由时均流速梯度引起的损失与紊动能耗散引起的损失组成,当雷诺数较小时,时均流速梯度引起的损失是机械能损失的主要来源,而雷诺数较大时,紊动能耗散引起的损失是机械能损失的主要来源。在宽浅明渠中,雷诺数约为9.5×10³时,均流速梯度引起的损失和紊动能耗散引起的损失相等。     

基于IB-LBM的圆柱尾流与壁面湍流之间的涡旋相互作用

该文使用IB-LBM研究了二维槽道中圆柱的尾流与壁湍流之间涡的相互作用。在壁面处出现边界层,同时由于边界层的不稳定性在壁面边界附近产生二级涡。边界层通过"ejection"过程向外喷发涡旋结构。尾流与湍流边界层之间相互作用形成的偶极子远离壁面,最后由于黏性耗散作用而消失。最终,涡旋相互作用的稳定状态出现涡街和弱的边界层。在壁面附近直接级联能谱的标度行为是k~(-3),其表示涡度拟能向小尺度移动;在远离壁面的二维湍流的逆级联能谱是k~(-5/3),这意味着能量向大尺度移动。     

明渠近壁区水流的紊动特性分析

根据ADV采集的试验水槽中的三维流速,运用紊流统计理论,从流速概率分布、紊动强度、雷诺应力和紊动动能概率分布方面,对明渠近壁区水流的紊动特性进行了分析。可得:在近壁区,横向、纵向分流速及合成瞬时流速的概率分布与正态分布相似,而垂向上则偏差较大;横向的紊动强度和雷诺应力的分布形式与纵向相似,值略小,垂向趋于一个常数;利用试验数据统计得到的紊动动能概率分布与同性均匀湍流条件下理论推导的概率分布进行了对比,说明三维流场结构下,紊动动能的概率分布更符合卡方分布。进一步根据紊流的三维紊动特性,指出应该根据水流涡团运动在方向和大小上的瞬变性,从三维方向上考虑泥沙起动时的受力。     

混流式水轮机飞逸过程瞬态流动与能量耗散研究

水轮机经历飞逸过程时,其内部将出现流动分离、涡漩及高振幅压力脉动等瞬态水力特性。为明确其在飞逸过程的不稳定流动特性,本文以某典型水头段混流式模型水轮机为研究对象,对其由额定转速过渡至飞逸转速的瞬态流动过程开展研究,数值计算获得的飞逸单位转速及流量与试验测试结果吻合较好。结果表明:飞逸过程中,转轮进口处水流在大冲角作用下形成较强的流动分离,诱发转轮叶片通道产生大尺度的涡漩结构,且随转速升高,涡漩体积逐渐增大,对主流形成强烈扰动。过流部件内均捕捉到低频、宽频特征的高振幅压力脉动,频率范围在0.5倍叶频以下,且对应的转轮域压力幅值最高。进一步,本文基于能量平衡方程分析水轮机能量耗散特性,发现各过流部件能量耗散主要发生在转速上升的初始阶段,且转轮和尾水管内的能量耗散之和超过耗散总量的90%。此外,湍动能生成项和雷诺应力做功项远大于黏性耗散项和黏性力做功项,表明不稳定飞逸过程中的能量输运和耗散主要由湍流主导。转轮内的主要能量耗散位置与涡漩结构位置对应,表明转轮内流动分离诱导的复杂涡漩结构是引起能量耗散的根源,为进一步揭示水轮机飞逸过程的能量耗散机制研究指明了方向。