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。     

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。     

壅水情况下非均匀流糙率系数研究

非均匀流的水力特性不同于均匀流,水力特性的变化有可能引起糙率的变化。本文采用数值模拟的方法,运用立面二维数学模型对壅水情况下的明渠非均匀流进行模拟,研究非均匀流情况下水力特性和糙率系数的关系。研究表明:壅水情况下,非均匀流能量损失沿程减小,但糙率系数却是沿程增大的。非均匀流中能量损失及糙率系数之间的这种关系是不同于均匀流的,这是非均匀流不同于均匀流的特点之一。根据数值计算结果,拟合得到了较为实用的壅水情况下明渠非均匀流糙率的计算式。将该式用于水库回水水面线计算得到的结果与采用均匀流糙率的计算结果差别较明显,说明采用非均匀流糙率进行水库回水水面线计算是必要的。     

往复流中射流的流态研究

为研究近海水域的排污扩散规律,推导了往复流中射流流团运动轨迹与计算式.对排污工程进行概化,给出了模型的边界条件与数值模拟的工况,利用重组化群紊动能-紊动耗散率紊流模型,对往复流中射流流态进行了模拟,验证了数值模拟结果,研究了射流流速分量等值线分布,采用半经验半理论的方法分析了射流流团涡心运动规律.结果表明,受横流控制,射流z轴方向流速分量w等值线(简称:射流w等值线)在对称面上手形对称,形成两排并行的流团,流团在运动过程中互相掺混,形成Y状外形.在z剖面上射流w等值线形成一对同心圆.得到了流团涡心运动轨迹x与z分量随时间t变化的函数关系式.     

糙条对溢洪道连续弯段水流特性的影响

为探究溢洪道连续弯段水流特性及糙条消能工水力学特性,通过开展27组正交模型试验,结合消能率和超高变异系数筛选最优工况,采用RNG k-ε紊流模型与体积分数法（volume of fluid,VOF）对布设糙条和不布设糙条的溢洪道进行水流特性数值模拟对比研究。结果表明：糙条的布设使溢洪道沿程水深增加且变化剧烈;糙条能够抑制菱形波和折冲水流的产生,通过改善两弯段流态使水面均匀性提升38.0%和44.7%;布设糙条后,两弯段纵向流速均值被降低了45.16%和44.83%,各断面凹岸纵向流速的最大值沿水深下移;糙条的存在加剧了水流紊动,使两弯段纵向紊动强度均值增加了117.98%和71.05%,纵向紊动强度集中在凹岸衰减、凸岸增强,且各断面凹岸的最大值沿水深上移;糙条增大了床面动水压力,减小了两岸压力差,对压力分布形式有显著改善效果,有助于保护底板和边壁不易被冲蚀。研究成果可为溢洪道连续弯段设计及安全运行提供参考。     

沙坝海岸上裂流的数值模拟

建立了基于二阶完全非线性Boussinesq水波方程的二维波浪破碎数值模型,对沙坝海岸上产生的裂流进行了数值模拟研究。首先将文献[1]中给出的一组二阶完全非线性Boussinesq方程进行扩展,在动量方程中引入紊动粘性项模拟波浪破碎引起的能量耗散,采用窄逢法处理海岸动边界问题,并考虑了混合子网格效应以及水底摩擦。然后,在矩形网格上离散控制方程,采用有限差分方法和混合四阶Adams-Bashforth-Moulton预报矫正格式建立了数值模型。应用所建立模型对一带沟槽沙坝海岸上产生裂流的实验进行数值模拟,将计算的波高、增减水、时均流速、时均流场等与实验数据进行了比较。数值结果与实验结果吻合较好,这说明建立的数值模型是准确有效的,为下一步应用该模型模拟实际海岸上的裂流提供了研究基础。     

三维强迫均匀各向同性紊流直接数值模拟研究

均匀各向同性紊流作为紊动水流的一种简化特例,被广泛应用于泥沙悬浮、污染物扩散等问题的研究中。该文利用伪谱分析方法,建立了三维均匀各向同性紊流并行计算模型,利用直接数值模拟方法生成了不同初始能量谱和不同雷诺数条件下强迫均匀各向同性紊流流场,研究了强迫均匀各向同性紊流三维紊动特性。模拟结果表明:初始能量谱取值不会影响稳定后的紊动流场;不同雷诺数条件下,雷诺数越大,强迫均匀各向同性紊流紊动强度越大,形成的惯性子区越宽。     

密排粗糙床面明渠水流的紊动特性

为揭示密排粗糙床面对明渠水流紊动参数的定量影响规律,采用不同直径的圆形玻璃珠制作了3种密排加糙床面,基于光滑床面和加糙床面明渠紊流PIV流场测试资料,探讨了加糙后紊动强度、雷诺应力和紊动能等参数的变化特征。结果表明:床面粗糙对紊动参数的影响主要体现在内区,而外区紊动参数的变化相对较小。加糙后纵向和垂向紊动强度相对值u'~+、v'~+在内区呈现不同的变化规律,流量相同时,粗糙雷诺数Re_*越大,v'~+越大,而u'~+越小;床面粗糙对内区水流有抑制纵向紊动和加强垂向紊动的双重作用,而对外区水流有加强纵、垂双向紊动的作用;床面加糙对垂向紊动强度的影响总体大于纵向。加糙后内、外区的雷诺应力绝对值均增大,内区增幅尤为明显,雷诺应力增大的原因在于水流质点混掺强度和频次均增大。不同工况紊动能相对值E~+在内区差异明显,随着相对水深η的增大,E~+差异逐渐减小,在水面附近趋于一致;加糙后内区紊动能绝对值总体减小,而外区紊动能绝对值有所增大,内、外区紊动能变化与床面粗糙抑制水流纵向紊动强度和加强质点垂向混掺作用等因素有关。     

明渠紊流的紊动结构特性

本文采用二维激光流速仪对光滑及均匀加糙下的明渠紊流进行了系统的试验研究,测得了较为全面的紊动结构资料:时均流速,纵、垂向脉动强度,紊动切应力及相关系数。根据试验结果,分析了明渠紊流结构特性,并对紊流随机理论关于明渠紊流的紊动结构的(4)～(8)式进行了全面的验证,其结果吻合较好。     

复杂流动条件下过饱和TDG释放系数的确定

在总结国内外对TDG过饱和问题研究的基础之上，通过物理模型试验并结合数值模拟，以鱼道模型为例研究了绕流、回流等复杂流动条件下过饱和TDG的释放过程及释放系数。结果表明，鱼道模型内挡墙等建筑物的布置使水流出现绕流、回流等复杂水力学特征，由此增加了水体在鱼道内的滞留时间和局部区域的紊动动能，大大增加了过饱和TDG的释放。分析显示，在高紊动区域，过饱和TDG的释放速率与紊动强度成正相关关系。     

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.     

NUMERICAL SIMULATION OF 3-D TURBULENT FLOWS IN A CUT-OFF VALVE AND ANALYSIS OF FLOW CHARACTERISTICS IN PIPE

1 .　INTRODUCTIONThevalvehasbeenplayinganimportantroleinthe pipeengineeringandisalsooneofmaincomponentsgeneratingtheheadloss .Becauseofthecomplexgeometry ,thedesignwasusuallyeval uatedempiricallyinthepast,whichcausesmuchenergyloss .Toreducetheenergyloss ,itisessen tialforadesignertoknowthedetailsofflowfieldinthevalvepipe .Recently ,withtheremarkableprogressintheComputationalFluidDynamics(CFD)andcomputerhardware ,itisexpectedthatCFDwillbecomeapowerfultoolinthedesignofvalve .Intheactual…     

Theoretical analysis and numerical simulation of mechanical energy loss and wall resistance of steady open channel flow

The mechanical energy loss and the wall resistance are very important in practical engineering. These problems are investigated through theoretical analysis and numerical simulation in this paper. The results are as follows.(1) A new mechanical energy equation for the total flow is obtained, and a general formula for the calculation of the mechanical energy loss is proposed.(2) The general relationship between the wall resistance and the mechanical energy loss for the steady channel flow is obtained, the simplified form of which for the steady uniform channel flow is in consistent with the formula used in Hydraulics deduced by ? theorem and dimensional analysis.(3) The steady channel flow over a backward facing step with a small expansion ratio is numerically simulated, and the mechanical energy loss, the wall resistance as well as the relationship between the wall resistance and the mechanical energy loss are calculated and analyzed.     

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.     

高浓度固液混合流的湍流模型

建立了高浓度固液混合流的湍流模型，分析了混合流的应力（包括颗粒碰撞应力、粘性应力、湍流应力及Ｃｏｕｌｏｍｂｉｃ摩擦应力）。根据高浓度混合流中颗粒的受力，得出了颗粒运动的力平衡方程。由于引入颗粒碰撞应力和Ｃｏｕｌｏｍｂｉｃ摩擦应力，本模型较其它模型更适合具有高浓度和大颗粒的流场。利用本模型模拟的高浓度含沙水流在水平管道中的流动特性，其数值结果与前人所做的实验结果较一致。     

双涡轮灯泡贯流式水轮机三维 定常流动解析

基于三维N-S方程及标准紊流模型,对双涡轮灯泡贯流式水轮机进行了全三维定常流数值模拟,获得了流场的速度、欧拉能量及压力分布等变化规律。结果表明,CFD分析能较准确地预测双涡轮贯流式水轮机内部流场的结构, 其数值模拟结果可以作为双涡轮贯流式水轮机优化设计及运用的依据。     

三岔管内水流流动的数值模拟与实验研究

结合江苏宜兴抽水蓄能电站工程建设中钢岔管的设计要求，对分岔角为64°的三岔管内水流的流动进行数值模拟与实验研究。计算中选择SIMPLE方法求解三维雷诺平均方程和k-ε两方程湍流模型，实验采用数字图像测速(DPIV)系统和在试验段前后断面上安装液体差压计对三岔管中心的水平面内的压强差进行测量。研究结果表明，无论水头损失还是三岔管内水流的流动模式，计算与实验吻合得较好，同时反向双管流动较正向双管流动的能量损失大，在相同的流速情况下，单管流动比双管流动的能量损失大，正向单管比反向单管的能量损失大。     

能量损失与涡漩相关矩关系的理论研究

本文从二次流能量损失的基础上研究，得到了涡漩相关矩与能量损失的关系，推导了涡漩雷诺应力方程，为进一步研究能量损失提供了新的依据。     

基于弱可压缩理论的射流泵流场数值预报

应用弱可压缩流体控制方程和大涡模拟湍流模型，采用MacCormack的预估一校正方法对射流泵内流场(二维)进行了数值模拟。经过对不同射流泵运行工况的计算，都取得了令人满意的预报结果。研究表明，弱可压缩流动方程能代表低马赫数时的真实流动现象，且方程具有双曲性质易于数值求解。数值模拟结果可为改进射流泵性能提供依据。