丁坝群附近流场的三维数值模拟研究

丁坝具有导流、护岸、调整水深和营造局部冲淤等众多功能,在实际工程中应用广泛。文章采用有限体积法对正挑丁坝群的周围流场分布进行了三维数值模拟,以期深化对丁坝群附近的水流流场及局部冲刷机理的认识。研究发现,流场中有三个大的逆时针旋涡产生,第一座丁坝坝头处有下潜水流,且切应力达到最大值,是该位置发生严重冲刷的主要原因,且流量越大,冲刷越严重。     

涌潮作用下丁坝附近水流运动特性的数值模拟研究

采用压力隐式算子分割法(PISO)求解雷诺时均方程和RNGκ-ε紊流模型,建立了描述涌潮作用下丁坝附近水流运动规律的数学模型。水流的控制方程采用有限体积法离散,物理变量采用交错网格布置,自由表面应用流体体积(VOF)法追踪。该数学模型得到实测资料的验证后,数值模拟了钱塘江涌潮作用下丁坝附近的流场、自由水面、涌潮变形和涌潮压力的变化规律等。结果表明:丁坝附近水力特性受涌潮影响较大,来潮初始,丁坝附近紊动强烈,流场和自由水面变化很大;丁坝上涌潮压力急剧增大,且丁坝不同高程处的压力几乎都在同一时刻达到其最大值。     

非淹没丁坝附近三维水流运动特性的研究

非淹没丁坝是河道整治工程中一种常用的水工建筑物。为了分析非淹没丁坝布置效果，对丁坝附近三维水流运动试验研究和数值模拟。建立了三维水流大涡模拟数学模型，采用迭代法求解速度和压力，再由离散化的自由水面运动方程求解自由水面；根据试验观测的水面线和流速分布资料，对数学模型进行验证。在此基础上，数值比较了三种丁坝(上挑，正挑，下挑)附近水流运动特性，结果表明，非淹没丁坝对水流运动影响较大，但三种形式的丁坝对水流的影响差别不大，相对而言，下挑丁坝对坝头防护效果较好。     

丁坝群附近流场及局部冲刷的三维数值模拟

为探索丁坝群附近水流流场,揭示其局部冲刷的形成机理,该文采用Flow-3d软件,选取RNG k-ε湍流模型和以希尔兹(Shields)数为基础的泥沙推移质输沙率模型对上挑丁坝群的周围流场分布和局部冲刷进行了三维数值模拟。研究发现,丁坝群间涡系结构复杂,第一座丁坝坝头处有一对反向的旋涡和下潜水流,切应力达到最大值,使得该位置有较大冲刷坑发生,解释了冲刷机理。冲刷坑的模拟深度和范围与实验结果吻合较好,表明该模型可以用于丁坝群及相关河道整治工程的流场和冲刷坑计算。     

涌潮翻越丁坝过程数值试验初步研究

本文采用VOF方法数值模拟涌潮翻越丁坝过程。得到定床情况下丁坝上游任意点任意瞬间的时均流速分布。根据流速分布，采用推移质输沙率的结构式作为冲刷强度的指标，比较不同丁坝剖面形式对丁坝上游冲刷坑强度的影响。     

丁坝附近湍流的数值模拟

以三维水流运动方程为水流控制方程,采用RNG κ-ε模型来处理紊动项,建立了模拟丁坝绕流的湍流模型,并对单一丁坝的湍流场进行了计算.结果表明:计算结果与水槽试验资料吻合较好,并在一定程度上反映了丁坝绕流流场和丁坝的回流长度等水力特性的变化规律.     

VOF方法模拟水面振荡流场

应用VOF(Volume of Fluid)方法结合不可压缩流体的N-S方程和连续性方程对矩形水池中的水面振荡流场进行数值模拟.采用共轭剩余法结合差分法求解N-S方程和连续性方程,采用施主-受主法求解流体体积函数控制方程.计算得到一个振荡周期内典型时刻矩形水槽水面振荡流场分布情况并与理论分析结果进行比较.并将计算得到的...     

基于SPH方法的自由水面溢流过程开边界数值模拟

SPH方法是近年发展起来的流体数值模拟的一种新方法.目前,SPH方法流体模拟主要是经典的激波、Poiseuille流、Couette流、腔内剪切流及像溃坝一样的自由表面流动.均属于初始给定所有粒子的闭边界数值模拟.该文依据SPH方法,采用周期运动边界,实现了溢流坝自由表面流开边界数值模拟.计算水面线与物模实测结果吻合较好.     

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。     

淹没丁坝三维水流数值模拟研究

采用两相流混合模型,并选取Realizable k-ε湍流模型封闭两相流时均方程,对梯型断面明渠淹没丁坝绕流水力特性进行三维数值模拟。速度与压力耦合方程组求解时使用半隐式SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法,模拟自由水面采用了VOF(Volume of Fluid)法。通过模拟得到了水面线、流速等水力参数的分布规律。模拟结果与实测资料的对比表明:两者吻合较好,VOF方法和Realizablek-ε模型的耦合求解能够很好地模拟明渠淹没丁坝绕流的水力特性,为丁坝的设计、布置与施工提供理论基础支持。     

宽顶堰水流数值模拟分析

本文利用紊流模型模拟了带有曲线自由表面的宽顶堰流的紊流流场,采用VOF法来确定自由表面,采用气液两相流计算模型对宽顶堰流场进行了数值模拟,计算结果与试验数据较为吻合.模拟结果表明,数值模拟是作为研究水利工程中带有自由表面的水流结构的一个强有力的工具,其结果对物理试验也是一个很好的补充.     

深水航道整治中新型结构淹没丁坝水流力特性研究

为研究新型结构淹没丁坝的水流力特性,基于有限体积法与自由液面捕捉法,通过流体计算软件Fluent建立三维数学模型对不同流速、水深与坝长条件下新型结构齿形丁坝的水流力特性进行研究。同时,设计了比尺为1:50的物理模型对不同坝长条件下新型结构丁坝水流力进行补充验证,数值模拟结果与试验结果符合良好。研究不仅得到了丁坝流场流速与水深的分布规律,同时分析了不同流速、水深与坝长条件下新型结构齿形丁坝的水流力响应规律,进而通过量纲处理分析了相对坝长与淹没度对水流力系数的响应规律,通过独立化分析的方法分别探讨了相对坝长与淹没度对丁坝水流力系数的敏感性。研究成果为新型淹没丁坝在长江南京以下12.5 m深水航道整治工程的应用提供一定的技术支撑与科学指导。     

Experiments and numerical simulations on transport of dissolved pollutants around spur dike

The flow field around a spur dike has three-dimensional characteristics.In order to analyze the influence of the flow field on pollutant transport,based on a compressive volume of fluid(VOF)scheme,the three-dimensional transient compressive pollutant transport model(CPTM)and the cubic equation(CE)bounded differencing scheme were developed.For the calibration and validation of CPTM,laboratory experiments were carried out in a flume with a non-submerged spur dike.The spur dike was angled at 60°,90°,and 120° from the upstream direction.The simulation results agreed with the experimental results.The simulations and experiments showed that the distribution of pollutant concentration was determined by circumfluence and the main flow.Concentration decay in the circumfluence zone was slower than that in the main flow.Downstream of the spur dike,the concentration fluctuation became intensive with the increase of spur dike angle.     

自由表面流动数值模拟方法的探讨

本文建立和开发了一个用于求解具有自由表面的二维不可压缩粘性流体流动的Navier-Stokes方程的数值模型，这个模型采用ALE方法描述流体的运动，基本方程组中的流速和压力利用Projection 2方法来解耦，空间离散采用有限单元法，而时间离散则采用semi-implicit方法，自由表面位置则通过求解相应的偏微分方程来确定，而计算过程中网格的调整则采用了新的方法，算例结果令人满意，表明方法可行。     

基于流场数值模拟的导流堤加固方案优化设计

流态和流速分析是导流堤设计的先决问题。以某沿海水利枢纽导流堤为研究对象,采用有限元数值模拟的手段及平面二维水流数学模型,对其加长加固方案进行对比分析,优选出合理的导流堤结构型式和长度,为工程设计提供理论参考。     

基于CIP方法的液滴冲击薄膜数值模拟

该文基于自主研发的气-液二相流数学模型开展了液滴冲击液膜的数值模拟,采用紧致插值曲线(CIP;constrained interpolation profile)方法离散Naiver-Stokes方程,完成速度-压力场的求解,并分析了速度场、压力场随时间变化的过程。采用VOF/WLIC(volume of fluid/weighed line interface calculation)方法重构了自由面,并与SOLA-VOF方法及CIP方法得到的自由面进行比较,验证VOF/WLIC方法对于液滴冲击液膜问题的适用性。通过调整气、液二相流的黏度比值,分析比较了不同黏度比值对模拟结果的影响。结果表明,CIP方法可精准重现液滴冲击过程中的复杂自由面流动现象。     

水力坡度对淹没单丁坝近区水流结构的影响

采用超声波水位和PIV流速测量技术,在U形水槽中试验研究了不同水力坡度下淹没单丁坝对水流的影响。同一水力坡度,丁坝上游横比降沿程逐渐增大,丁坝下游横比降沿程逐渐减小。不同水力坡度,随着水力坡度的增大:① 丁坝附近的水位、横比降、淹没程度和丁坝迎水面与背水面的水位差逐渐减小;② 丁坝上游最高水位位置向下移动,丁坝下游水位恢复点位置向上移动;③ 断面平均流速及最大流速逐渐增大,但最大流速出现的位置基本不变;④ 漩涡流速分布较相似,但漩涡强度增加,坝后漩涡中心逐渐向下游对岸移动。当水槽坡度为-1‰~1‰时,淹没丁坝对丁坝上方5 cm处的剖面水流影响较小;当水槽坡度为2‰时,淹没丁坝对丁坝上方5 cm处的剖面水流影响较大;当水槽坡度为1‰~2‰时,淹没丁坝对水流结构的影响可能存在1个临界变化点。研究结果有助于对河床演变及海岸工程等复杂水环境问题的深入探索。     

淹没丁坝端坡对附近水流结构的调整作用

工程应用中的丁坝往往具有一定的端坡,而且经常处于淹没状态。为了研究端坡对淹没状态下丁坝附近水流结构的调整作用,采用水槽试验和三维浅水模型相结合的方法,分析淹没时丁坝阻水面积相等条件下坝头直立和具有一定端坡时丁坝附近的表层平面流场、底层平面流速分布和底层切应力分布情况。结果表明:淹没程度?H/H?0.17时,丁坝下游仍出现回流区,端坡系数m等于1时相对回流长度和坝头附近流向偏角最大;存在一定端坡时,坝头附近临近底床平面强流速范围和底床切应力范围显著减小或消失,m等于7时能够将丁坝附近流场调整得较为均匀。