非结构网格FVM模型及崖门水道三维模拟研究

模型采用二维三角形网格、三维四面体网格的非结构网格形式,利用有限体积法离散控制体积内积分后的控制方程.通过求解沿水深积分方程作为外模式计算水位,垂向采用坐标系简化表面和底部边界条件,求解三维浅水运动控制方程,计算流速垂向分布.将模型用于崖门水道三维潮流场的计算,利用实测资料对计算结果进行了验证,并对该潮汐河口水动力流场分布及控制因素进行了分析探讨.     

基于LES方法圆柱绕流三维数值模拟

该文采用计算流体软件CFX5中Large-eddy simulation(LES)模型计算了均匀流场中三维圆柱绕流的水动力特性。使用有限体积法对三维N-S方程进行求解。数值模拟着重研究了高雷诺数时展向各截面的压力、阻力、升力及涡管特性。数值计算结果表明:展向各截面柱体受力关于中截面对称且小于二维情况,柱体周围流场呈现明显的三维特性。     

海湾潮流运动的三维数值模拟研究

针对平面二维数学模型在预测分层流等方面的不足,考虑到海湾岸线和海底地形的复杂性,采用非结构网格上的有限体积法建立了海湾潮流运动的三维数学模型。模型垂向采用σ坐标,动量方程求解考虑地球自转科氏力。数学模型求解采用显式差分技术,采用CFL数作为迭代计算的收敛控制条件。以深圳大鹏湾为例,采用三维数学模型计算了典型大潮、小潮条件下的水动力场。对不同潮型下的潮流流速、流向进行了验证,对湾内的潮流流场进行了分析。结果表明:三维数值计算结果和实测数据符合较好,证实了三维数学模型的可靠性。     

基于近似黎曼求解器的三维浅水方程组求解方法

将求解平面二维浅水方程组的Godunov型有限体积法扩展至求解三维浅水方程组,建立具有激波捕捉特性的三维数学模型,将扩大三维浅水方程数学模型的应用范围。模型中湍流封闭采用非线性K-ε模型,水平方向数值通量采用HLLC近似黎曼求解器计算。为改善数值格式稳定性,垂向扩散项采用隐式离散,且在局部小水深处将三维模型退化为水深平均平面二维模型,所开发的模型在形式上具有时、空二阶精度。随后采用水跃、干河床溃坝洪水演进等算例对模型进行检验,结果表明:该模型具有较好的稳定性,能保证静水平衡,在间断解处能给出高分辨率的数值解,并具有较好的干湿边界模拟能力。     

河口准三维涌潮数学模型研究

本文依据近年来计算流体力学在计算格式方面的最新成果，提出了一种用于计算包括涌潮在内的近海三维流场的数学模型。模型中，控制方程采用。坐标变换形式；底部摩阻采用对数流速率；运用肛k-ε紊动模型计算垂向紊动粘滞系数，使模型较好地给出水平速度的垂向分布。数值方法上，采用有限体积法离散方程，并用Osher格式计算有限体积交界面通量，使得模型可高精度地捕捉间断；水平方向用无结构三角网格，较好地适应不规则形状边界；用该模型模拟了明渠均匀流和概化河口涌潮的水流运动规律。计算结果表明模型可用于河口区涌潮流场计算。     

大型浅水湖泊风生流场的数值模拟研究

针对大型浅水湖泊水平尺度远大于垂向尺度,水力参数在垂直方向变化要小于水平方向变化,符合浅水流动的特点,采用水深平均的紊流模型模拟大型浅水湖泊的风生流场.在非结构化网格上采用有限体积法离散控制方程,提高了计算精度和效率,运用SIMPLEC算法进行数值求解,克服了为简化计算对二维物理机制常采用-维化数值处理的缺陷,使计算的流场更符合实际流场,并模拟分析了不同风向,风速下博斯腾湖大湖区水流运动特性.     

船舶螺旋桨周围粘流场数值预报与流场分析

本文叙述了通过直接求解雷诺平均应力方程（ＲＡＮＳ）来获得船舶螺旋桨粘流场数值解的方法与数值求解步骤，该方法采用非交错网格系统，利用幂函数格式离散动量方程，预报－校正方法求解速度－压力耦合问题，应用Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模式求解雷诺应力项使方程组封闭，以此来获得螺旋桨粘流场，为了验证数值方法的稳定性和可靠性，文中以ＤＴＲＣ４１１９桨为算例，对螺旋桨粘流场进行了数值求解，通过对计算结果的分     

泵站进水流道三维紊流数值模拟及水力优化设计

采用直接求解三维雷诺平均Ｎ－Ｓ方程和标准ｋ－ε紊流模型方程组的方法，对大中型泵站进水流道内的流场进行了数值模拟，并进而对具有复杂几何形状的进水流道进行了水力优化计算，经模型试验验证，说明水力优化设计的进水流道获得了十分优良的水力性能。     

流体黏性对迎浪航行船舶运动和波浪增阻的影响

对在规则波中迎浪航行的大型油轮KVLCC2船模,为了研究流体黏性对船舶运动和水动力的影响,分别采用求解RANS方程和求解欧拉方程的方法,应用CFD软件STAR-CCM+对黏性流场和无黏流场进行了数值模拟。采用GCI方法对数值不确定度进行了分析,验证了数值方法的有效性;采用湍流模型和无黏流模型对船舶在一系列波长的波浪中的运动和水动力进行了数值预报,并将数值结果与现有实验数据进行了比较。结果表明,流体黏性对船舶运动影响很小,对共振状态附近的波浪增阻有一定的影响。总体上,对船舶迎浪航行流场的数值模拟,忽略黏性能保证一定的计算精度而提高计算效率。     

伶仃洋三维流场数值模拟

使用σ坐标变换技术，将（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）坐标系中的三维非线性Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程转换成（ｘ，ｙ，ａ，ｔ）坐标系中的方程，采用有限差分方法进行离散求解，用垂向（σ向）积分的连续方程求解水位，用动量方程求解流速垂直结构，在水平方向上使用非交错正方网格，σ向等间距分层，从而建立三维流场数学模型。应用本模型对多口门、多岛屿、地形及岸线复杂的伶洋的枯季、洪季流场进行了数值模拟。将模拟结果与多个水位、流速同步测站的实测资料进行比较，无论是水位、垂线平均流速、流向过程线还是流速的垂向分布形式与量值，二者均吻合较好。根据模拟计算结果，对伶洋流场的平面及空间结构特征进行了分析。     

太湖风生流特征的数值模拟研究

该文基于对太湖地形和水动力特征的分析,建立了沿垂向平均的太湖二维浅水动力学模型,给出了模型参数和模型的数值求解方法.通过对太湖风生流的模拟,分析了太湖风生环流的基本形态特征,并得到了实测流场的良好验证.进一步对盛行风场下的太湖流场和水动力特征进行数值研究表明,太湖风生流的形成主要由风场、湖泊边界及湖底地形决定;得到了不同湖区的流动规律和水动力特征,并揭示了不同湖区流动差异的形成原因.     

基于大涡模拟的非对称机翼尾流场湍流流动分析

该文以人工可压缩方法求解不可压缩Navier-Stokes方程,采用具有壁面自适应的WALE亚格子应力模型,开发了基于非结构网格的大涡模拟求解器,其中控制方程的对流项、粘性耗散项分别以三阶MUSCL格式和沿网格结点中心的方向导数法进行离散,数值离散得到的非线性方程组采用无矩阵运算的全隐式LU-SGS方法分步迭代求解。文中以具有钝体尾缘的非对称机翼为对象,实现了机翼周围非定常流动的大涡模拟。通过与实验结果的对比,表明所开发的流场求解器能够应用于复杂流动中的湍流结构的大涡模拟和湍流特征量分析。     

桥墩群对河道水流影响的三维数值分析

该文采用具有自由水面和河床切应力计算的三维数学模型分析了桥墩群对河道水流的影响。计算利用标准的k-ε紊流模型求解N-S方程得到三维流场，通过对运动方程的垂向平均积分得到求解水位的泊松方程，将该模型应用到不同收缩比条件下桥墩的绕流壅水计算，结果与物理试验值拟合较好。在实际应用中，模型比较了凉水河北京南站段桥墩群修建前后河道水位和三维流场的变化情况，分析了桥墩群对河道三维水流与水位的影响，为该段河道的整治以及规划设计提供参考。     

基于FVCOM的磨刀门水道盐水入侵三维数值模拟

该文采用非结构化有限体积近岸海洋三维模型FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model),建立了磨刀门水道至伶仃洋盐水入侵数值模型,模拟2004年、2005年及2007年枯季的长序列流场过程,观察其水动力特性,研究盐度的时空变化规律,分析其垂向分层现象。结果表明仅对该文模拟范围的建模也能达到模拟珠江四口门或八口门时磨刀门水道的准确度,从而减少了建模工作量和模型计算量。对三个工况的模拟显示盐水入侵最远距离在2005年1月最大,越过了全禄水厂,2007年3月最小。垂向分层方面,由于盐水上溯的最远距离均处于内河道处,盐度垂向分层不明显,底表层盐水最远入侵距离的差距随入侵距离的增加而减小。海平面平均每升高1 cm,磨刀门水道咸潮入侵平均上移距离为0.85 km。     

基于CFD的船-舵水动力干扰数值研究

该文采用基于RANS方程求解的CFD方法,对匀速直航的船-舵系统的黏性绕流场进行数值模拟,计算了不同船速和不同舵角下的船-舵水动力干扰系数,计算中忽略了自由面兴波及螺旋桨的影响。文中以KVLCC1船、舵模型为研究对象,首先将数值计算的船舶水动力及船-舵水动力干扰系数结果与模型试验数据进行比较,验证了所采用数值方法的有效性;随后,对船-舵系统、裸船体和敞水舵分别进行计算,通过水动力计算结果的比较以及流场分析,对船-舵水动力相互作用进行了数值研究。     

三峡水轮机全流道三维流动数值模拟研究

本文使用商业CFD软件FLUENT,开发了部分接口程序,进行了全流道原型水轮机三维湍流数值模拟研究,计算对象是中国水利水电科学研究院机电研究所为三峡右岸开发的水轮机模型,该水力模型有完整的模型试验资料,可用于检验计算结果。水轮机全流道三维湍流数值模拟,计算区域为包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管的全部流道。模拟中控制方程采用了三维时均N—S方程、湍流模型采用两方程RNG k-ε模型,数值方法采用贴体坐标的有限体积法。共进行了3个开度条件下的计算,每个开度各进行4个典型工况的三维湍流流场模拟,通过数值方法求解控制方程,获得了全流道的流速和压力分布。计算结果表明流速和压力分布合理,数值计算得到的效率与试验得到的效率进行比较,结果吻合良好。     

湖底址形对风生流场影响的数值研究

本文利用三维水动力学模型，对定常风条件下，几种典型湖底地形浅水湖泊的风生流场进行了数值模拟，比较了几种典型地形的风生流的垂向平均流场与各分层流场的差异。结果表明：在风场等外部条件相同的情况下，湖底地形将决定湖泊风生流场的基本形态和环流流速，碟形底和斜形底的湖泊所形成的垂向平均流场有明显差异。湖底地形的变化对稳定状态的湖泊次表层、中间层和次底层流场有较大影响，而对表层流场影响不大。湖中有无岛屿将形成截然不同的两种风生流场。     

湖底地形对风生流场影响的数值研究

本文利用三维水动力学模型，对定常风条件下，几种典型湖底地形浅水湖泊的风生流场进行了数值模拟，比较了几种典型地形的风生流的垂向平均流场与各分层流场的差异。结果表明：在风场等外部条件相同的情况下，湖底地形将决定湖泊风生流场的基本形态和环流流速，碟形底和斜形底的湖泊所形成的垂向平均流场有明显差异。湖底地形的变化对稳定状态的湖泊次表层、中间层和次底层流场有较大影响，而对表层流场影响不大。湖中有无岛屿将形成截然不同的两种风生流场。     

不同差分格式对伶仃洋数值计算的影响分析

对伶仃洋水动力进行数值模拟,水流运动方程在空间上采用有限体积法离散,速度水位耦合求解采用SIMPLCE算法,研究对流扩散项的不同离散格式对数值计算精度影响.通过计算得出以下结论,采用不同的差分格式对伶仃洋治导工程进行模拟,计算潮位变化规律一致,并且数值很接近,从这一角度看,不同的差分格式对工程影响评估没有影响.     

某斜向涵管进水泵站前池流态数值模拟与整流措施研究

采用直接求解三维雷诺平均N-S方程和标准κ-ε紊流模型方程组的方法,对泵站前池内部的流场进行了数值模拟,以前池内部格栅孔的流量分配均匀系数作为优化前池水力特性的控制条件,进而对斜向进水泵站复杂前池流态中不同位置、尺寸、角度的导流墩和不同摆放角度的压水板分别进行了水力优化计算.经物理模型试验验证,说明水力优化设计的导流墩位置、尺寸、角度及压水板摆放形式,获得了十分优良的水力性能.