基于LBM的波浪作用下动量射流数值模拟

为了进一步研究射流在有限水深波浪环境下的流动规律,拓宽LBM在水利工程学科中的应用范围,将LB方法的原理应用于自由表面处理、边界条件设定、紊流模型的耦合求解、造波及消波等关键问题上,建立了二维多松弛LB数值波浪水槽模型。运用该模型模拟不同波浪环境下动量射流的紊动特征及变化规律,得到射流在不同工况下的轴线速度衰减、扩展半宽变化和横断面速度分布等规律。研究表明,该模型具有很好的适用性,可以较好地模拟射流问题。     

可视化水力学计算软件框架设计

为快速开发可视化水力学计算软件,提出的混合编程开发方法可最大限度地利用现有源代码,便于多人协同工作,是一种较为理想的水力学计算软件开发方法.同时给出了VB6.0与FORTRAN混合编程的接口实现方法.     

JONSWAP波环境下湍动射流三维大涡模拟研究

在σ坐标下,采用分步算法求解3维滤波后的Ⅳ-S方程,其中亚格子模型采用作者提出的动力拟序涡粘性模型封闭.数值模拟了波动环境下湍动射流问题.其数值计算结果与实验值和理论值吻合良好.分析了JON.SWAP波环境下垂直湍动射流回流区域拟涡能分布特性以及JONSWAP波作用下射流掺混特性;给出了射流掺混图像和射流对JONSWAP波波能损耗影响特性.成果为随机波作用下污染物排放的掺混与稀释特性研究提供了手段与理论依据.     

低弗汝德数闸后淹没水跃的数值模拟

通过求解雷诺时均Navier-Stokes方程,对弗汝德数为3.19的淹没水跃进行了数值模拟。应用标准k-ε模型和RNG k-ε模型结合VOF(volume of fluid)自由表面跟踪技术,得到了淹没水跃自由表面位置、纵向速度、紊动能及速度矢量等变化情况。结合实验数据,详细对比研究了两种模型的模拟结果,分析了Fr=3.19淹没水跃的内部流场特性。研究表明RNG k-ε模型能更好的模拟低弗汝德数下淹没水跃的紊流结构,给出了2X/Y124为水跃发展区,并得出水跃产生的旋滚对紊动的产生和耗散起着重要作用。     

计算水力学通用后处理模块设计与快速开发

为快速开发计算水力学通用后处理模块,提出了多种高级计算机语言混合编程并与调用图形应用程序接口（API）相结合的开发模式。该方法最大限度地利用现有源代码,便于软件内容的扩展及实现后处理模块与计算主程序的数据交互,保证了软件的通用性,节约了资源;在高级编程语言基础上编制交互界面,调用API底层图形库使得流场、等值线、流速矢量图等水力学图形图像易于实现,并可实现灵活的人机交互。     

三峡水库一维水动力数值模拟及可视化研究

运用Preissmann四点隐式格式对一维圣维南方程组进行求解,建立长江三峡水库一维水动力数学模型,并从水位、流量、流速等方面分析库区水流运动规律。采用VB编程实现了图形界面与Fortran计算程序的数据交互,通过混合编程技术生成动态链接库将两者连接起来,成功实现了一维水动力数值模拟和动态显示的一体化,研究成果的应用对于三峡水库的运行调度具有参考与支持作用。     

基于LB方法的质量源造波的数值波浪水槽

为研究LB方法在建立数值波浪水槽的优越性及质量源造波法在消除波浪二次反射中的有效性,将流体体积率法(VOF)推广到LB模型中追踪自由表面,将推导出的各方向的分布函数的变化量方程应用到质量源造波中,采用阻尼加透过的边界条件消波,建立了基于LB方法的数值波浪水槽。数值模拟结果表明,该数值波浪水槽可有效模拟波浪,避免计算域内波浪的二次反射;消波效果良好,未产生明显的反射波;继承了LB方法的优点,具有计算效率高、内在并行等特点。     

倾斜侧壁约束下的垂向紊动射流数值模拟

为研究倾斜侧壁约束下垂向紊动射流与周围水体的掺混稀释特性,基于标准κ-ε紊流模型,采用VOF方法处理自由表面,对不同侧壁倾斜角度和入射流速下紊动射流进行数值模拟,分析了射流轴线速度衰减、左右侧扩展半宽及平均浓度等变化,并通过射流横断面最大速度和最大浓度分别确定射流的轨迹线。结果表明,倾斜侧壁约束下射流轴线速度衰减较自由射流衰减缓慢,射流两侧扩展半宽均减小,且侧壁倾斜一侧平均浓度要高于另一侧。侧壁倾斜条件下射流卷吸环境水体的能力有所抑制,不利于污水的扩散稀释。     

交汇口支流水动力特性数值模拟研究

城市水工建筑物多建于穿城而过的小型支流中,有着为城市防洪抗旱,美化城市水环境等重要作用。运用RNG k-ε紊流模型对明渠小型支流河口进行了数值模拟,采用VOF方法处理自由表面,分析了与大型河流交汇处不同形态小型支流的水位、流速、紊动能耗散率和床面剪切力等水流特性。结果表明:支流流量和支流上游河道走向是引起水流特性改变的重要因素。研究成果可为城市汇流口小型支流河道水工建筑物的设计建造、河道整治提供参考。     

陡墙上孤立波爬高的LBM模拟

波浪爬高是海岸工程中常见的水力学问题之一,其数值模拟方法通常是离散Navier-Stokes方程或Bouss inesq方程。与之不同,近几年发展起来的Lattice Boltzmann方法(LBM)是采用具有特定演化规则的粒子系统模拟流体运动。此方法具有计算效率高及内在并行等优点。本文将LBM应用于陡墙上孤立波的爬高模拟,建立了不可压缩流体的LB模型,并把VOF的概念引入到LBM中模拟自由表面的运动。分析和实践表明,本文方法适用于自由表面无破碎的不可压缩流体的数值模拟;对于表面破碎的情况,应将LBM与紊流模型结合,并且液面运动的模拟须采用气液两相流界面的计算方法。