浅水环境中垂向圆形纯射流的数值模拟

为探求浅水中射流的特性,提出了浅水环境中垂向纯射流的流速分布公式.应用体积率（VOF）方法跟踪处理自由水面,利用重组化群的（RNG）紊动能－紊动耗散率（k-ε）模型,对静止均匀浅水水域中的铅垂圆形单孔纯射流进行了数值模拟,研究了自由面位置和不同区域的流速场分布;并比较了RNG k-ε紊流模型、标准k-ε流模型与物理模型试验的结果.结果表明,自由射流区轴向流速、表面冲击区轴向流速、表面射流区径向流速随自由水面隆起高度的变化规律符合正态分布,射流喷口中心线轴向流速符合半无限域衰减规律.与标准k-ε试验结果相比,RNG k-ε流模型更适合于浅水纯射流     

曲壁多孔射流对主流速度场干扰的数值模拟

采用ＳＩＭＰＬＥ算法,结合高雷诺数Ｋ一ε紊流模型、壁面函数法、混合长度理论和 斜交曲线坐标系,编制通用计算程序,研究在给定的主流条件下（即一定的速度、温度、压 力和紊流度等）,在不同的射流流速及不同的开孔情况和开孔度下,流道内速度场的变化规 律。通过计算和分析表明,曲壁射流在一定程度上改善了原有的气相速度场结构,为今后应 用紊动射流进行防磨研究提供了思路。     

不同入射角横向紊动射流流场的数值模拟

采用RNGk-ε湍流模型和标准k-ε对射流出射角度α=25°、35°、45°的横向紊动射流流场进行了数值模拟,结合SIMPLEC算法求解了适体坐标系下的控制方程,近壁区流动采用两层模型的壁面函数法处理,结果给出了射流与主气流速度比M为4、6和8时的速度场和湍动能。结果表明:M和α值是影响横向紊动射流的重要因素,M值增加,射流对主流场影响区域增加,α值变化,射流对主流场上游影响区域较大;并且通过与实验数值的比较,发现RNGk-ε模型对横向紊动射流流场的预测能力比标准k-ε模型有所改进。     

倾斜入射的横向紊动射流温度场的数值模拟

基于控制容积法,采用Realizablek-ε湍流模型对135°倾斜入射的横向紊流射流流场下游的流动和传热特性进行了数值模拟。通过比较和分析不同吹风比对横向紊动射流温度场的影响,结果表明:随着吹风比的减小,射流对主流温度场的影响范围沿垂直方向和沿横向减小;低速度比时,射流对近下游区壁面附近的温度场的影响较大,但对远下游区的影响并不好于较高吹风比的情况;在不同的吹风比时,近下游区受到射流的影响都是最大的,且射流在近下游区域的流动发生了分叉现象。     

颗粒在横向紊动射流中运动轨迹的数值模拟

采用RNGk-ε模型与SIMPLEC算法,在不同射流比R与不同射流孔径D的横向紊动射流中,对不同粒径dp的颗粒运动进行了数值模拟。计算结果表明:①流场对射流孔外附近区域的颗粒的作用在以XZ为对称面Y方向上基本是对称分布的,随着|Y/D|的增加,射流引起的吸力作用是先增大后减小;②射流孔径增大,射流孔区域外的颗粒受到吸力作用增大,区域内的颗粒的加速行程变长,轨迹变化明显;③在射流孔区域内,R值越大,射流对颗粒的升力作用越大;④小粒径的颗粒跟随性好,其轨迹能更好地反映流场的变化趋势。     

横流中紊动射流的数值实验研究

采用ＳＩＭＰＬＥ算法等结合高雷诺数Ｋ－ε紊流模型１壁面函数法,混合长度理论和斜交曲线坐标系,编制通用计算程序,研究在给定的横流条件下（即一定的速度、温度、压力和紊流度等）,以及在不同的主流与射流的速度比下,布置在平面壁面和曲面壁面上的横流方向垂直的不同射流的轴线轨迹,流道内速度场的变化规律,另外通过计算和分析表明,紊动射流的存在一定程度上改善了原有的气相流场结构,从而为今后应用紊动射流来对叶栅进行     

同心环管圆孔射流流动特性的数值模拟

采用标准的k-ε模型及混合有限分析法对均匀横流条件下三维受限同心环管中单孔和双孔的横向紊动射流流动进行数值模拟.分别得到单圆孔不同流速比下的射流轨迹线与数学表达式、双圆孔不同间距下的速度场.结果显示：射流比越大,射流深度越深,射流越不容易发生弯曲;射流横断面上速度最大值的偏离程度随横流距离的增加而增大,但增大率越来越小;双孔射流孔间距影响射流轨迹线,由于前一个射流的遮挡作用,后面射流更不容易发生弯曲.     

多孔横向紊动射流流场的数值分析

基于控制容积法和协调一致的求解压力耦合方程的半隐方法(SIMPLEC),应用 Realizableκ-ε紊流模型,对单圆孔、双圆孔和四个圆孔的横向紊动射流流场进行了数值模拟,分别得到了射流与主气流速度比 R 为4和6的速度场。结果表明:射流比 R 越大,射流越不容易发生弯曲;在多孔射流中,水平方向速度 u 变化明显且幅度较大,并出现了多个极值点;射流孔后存在尾迹区,第一个射流孔后,"孔吸现象"更加明显;由于前一个射流的遮挡作用,后面的射流更不容易发生弯曲。     

液体射流与空气交叉流动喷雾的数值模拟

采用气相的时均雷诺方程,在拉格朗日框架下求解离散相的运动方程,对水与空气交叉流动的喷雾流场进行了数值模拟研究.湍流模型为标准κ-ε模型,通过在气相方程中添加源项的方法,对两相间存在的质量、动量和能量交换过程进行了模拟;还添加了描述液滴的破碎及其碰撞聚合过程的计算模型;参考实验中的实测入口风速大小,添加用户自定义函数定义气相入口边界风速.计算时,交替求解气相和离散相方程直到两相都达到收敛来实现两相间的双向耦合.并将计算网格分割为两部分,在拥有两个处理器的工作站上并行运行.模拟结果与实验结果的对比显示,喷雾轨迹和液滴粒径大小与实验结果符合较好,也较合理地模拟出了液滴的空间分布情况.     

气垫防磨叶栅内固体颗粒运动特性的数值模拟

以气垫叶栅作为研究对象,从含尘风机气-固两相流动的规律出发,采用SJMPLE算法,结合标准k-ε紊流模型、壁面函数法,利用适体坐标系下的通用控制方程,编制相应的计算程序。在不同的主流与射流速度比、不同的缝隙数和缝隙宽度等条件下,计算了固体颗粒在气垫作用下的运动情况。计算结果表明,气垫阻碍了粒子与壁面的撞击几率,在理论上论证了气垫防磨的可行性。     

基于VOF方法的赛艇艇型优化

为减小赛艇行驶过程中的阻力、提高运动员的成绩,对赛艇艇型进行优化。采用RNG k-ε(renormalization group k-ε)湍流模型、VOF(volume of fluid)方法对单人赛艇的周围流场和阻力特性进行了数值计算,获得了赛艇周围的速度分布和压力分布等流场信息,实验结果证实了数值计算的可靠性。利用数值计算对赛艇艇型进行了优化,得到了赛艇阻力与艇型的关系。研究结果对于改善赛艇性能、减小赛艇阻力具有重要的参考价值和指导意义。     

溃坝水流三维计算模型比较

选取土石坝漫顶冲决过程中假定的溃口形状,采用FLOW-3D及FLUENT计算流体力学软件分别对固定溃口形状下漫坝水流进行全三维湍流数值模拟,对比研究溃坝水流的三维流动及水流对坝体的作用.结果表明,两者较为一致地反映了土石坝漫顶冲决过程中水流的流动及坝面应力分布,主要差异发生在坝体表面、水流自由液面附近以及水流掺混较为剧烈区域.理论上,FLOW-3D采用Tru-VOF方法捕捉自由液面所得水面附近结果应较为准确;FLUENT采用适应性较强的非结构化网格,所得壁面区域计算结果则更为合理.同时计算得到了较为精细的溃坝水流湍流结构和坝面壁面剪切应力分布,这将有助于深入理解大坝溃决的物理机理,进而促进溃坝洪水数学模型的发展及应用.     

基于Flow-3D软件的消能池三维水流数值模拟

基于Flow-3D软件,采用RNG k-ε三维水流数学模型、VOF方法和单相流体模拟消能池水流流动,应用GMRES方法求解离散方程.根据设计提出的闸下三级消能池方案,不仅验证了水闸的泄流能力,还计算了消能工况水流条件下消能池的水流情况,并且结合水工模型试验具体分析了消能池中的水流流态、流速分布、水面线和消能率等水力特性.结果显示计算的泄流能力、水流流态与模型试验的非常接近,流速和水面线的吻合度也很高.计算结果还提供了Fr值、紊动能分布图和流速矢量图,比较全面地反映了三级消能池的水流和消能情况,同时也表明该软件模型具有可行性与实用性.     

三种湍流模型在空气射流数值模拟上的性能比较

标准方程模型、RNG方程模型和零方程模型是通风空调工程上最为常用的湍流方程模型.本文对三种湍流模型进行了介绍,并用三者对百叶风口空气射流进行了模拟.模拟结果表明,与其它两种方程模型相比,采用标准方程模型,无论是轴心速度衰减还是断面速度分布,与实测最为吻合,而采用零方程模型与实测差别较大.     

单体与三体高速船舶粘性流场数值模拟

为了检验CFD在船舶粘性流场计算中的有效性,基于RANSE方法,对单体船型DTMB 5415和三体船FA1粘性流场进行了数值模拟.自由面处理采用VOF方法,湍流模型选用SSTk-ω模型,计算结果与试验数据进行了比较,在傅汝德数不是很高时吻合较好.计算结果表明,CFD可以用来研究复杂船型流动问题,对于阻力、伴流等重要的水动力参数,CFD能够给出与试验相一致的结果;同时VOF方法可以比较好地捕捉船舶自由面波形,对于三体船,计算结果能够清晰地反映出主体和侧体之间强烈的兴波干扰现象,可以为船型优化提供重要的参考.     

对旋风机非定常湍流计算及整机压力脉动分析

利用Realizable k-ε湍流模型对某对旋风机进行了全流道非定常湍流计算,预测了前后两级叶轮附近两对动-静干涉面以及一对动-动干涉面上压力脉动的频域分布情况,分析了压力脉动沿干涉面径向的传播变化规律.分析结果表明,后级叶轮叶片对叶轮区域压力脉动的影响要远大于前级叶轮.分析结果可以作为对旋风机叶轮部分气动噪声预估的参考依据.     

潜艇尾流的空间演化及与自由面的相互作用

潜艇尾流的空间演化及其海面特征研究是分析尾流对声传播的影响和遥感探潜的基础.在综合模型试验结果的基础上,给出了预报潜艇湍流尾流空间演化的计算公式,综述了尾流区表面波特征.湍流尾流的空间演化依赖于潜艇航速、尾流初始尺寸、海水Brunt-Vaisala周期和尾流生成时间.海水密度分层引起尾流塌陷,并形成宽扁形状的尾流区.当潜艇近自由面航行时,由于自由面的限制使尾流速度衰减率减小,湍流尾流与自由面相互作用使自由表面变形并生成表面波.表面波是由尾流中大尺度涡结构引起的,尾流中的涡结构初始时使自由面变形,最后使自由面"破碎"形成随机波.     

有界压缩VOF算法在界面流问题中的应用

通过在界面标识方程中引入人工压缩项,采用基于非结构网格的高分辨率有界格式,编程实现了一类适合模拟复杂界面流问题的VOF(Volume of Fluid)方法.这类VOF方法可以自动处理界面的拓扑演化,无须进行实时的界面重构,提高了计算效率.应用这种基于有界压缩思想的界面流模拟方法,对三维Rayleigh Taylor不稳定性问题进行了并行模拟.计算结果与相关文献的数据吻合较好,证明了算法的可靠性.研究了密度差和Reynolds数对界面演化的影响,分析了在不同Atwood数下鞍点结构演化规律的异同,对于Reynolds数小于282的界面流问题黏性起着很明显的作用,而Atwood数的影响限于低密度差的界面流动问题,即Atwood数小于0.90的情形.     

溪洛渡高拱坝反拱水垫塘与平底水垫塘流场的三维数值模拟比较

采用RNG型k-ε三维紊流数学模型和自由水面\"刚盖\"的假定,对溪洛渡高拱坝七表孔泄洪工况下,反拱水垫塘与平底水垫塘的流场进行了数值模拟.首先把反拱水垫塘溢流中心线、两岸边附近的流速以及拱底板压强的计算值与相应的模型实测值进行了验证.在此基础上,对两种水垫塘的流态特征、近壁流速沿程扩散特征、底板压强分布等特征进行了详细比较.研究表明,两种水垫塘体型各有利弊.在水舌入水区,反拱水垫塘的流态和底板压强分布更趋合理,而平底水垫塘隅角有高压区,易产生破坏.在冲击区上下游,反拱水垫塘的流态、消能效果和底板压强分布的合理性逊于平底水垫塘.研究成果可为水垫塘型式的选择和设计提供参考.     

油气混输气泡湍流RNG K-ε方程的数值求解

油气混输气泡流湍流流动的RNG K-ε模型是一系列的偏微分方程组，求解这些方程组难度大，目前尚无精确的解析解，针对RNG K-ε模型偏微分方程组特点，提出了一种易于用数值解的求解方法。为简化RNG K-ε模型，先建立通用微分形式，运用有限体积法对该微分形式进行了离散，在离散过程中，考虑到动量方程中压力梯度项的离散困难，采用了交错网格技术进行对动量方程单独离散，最后采用压力校正法对所建离散方程组进行了数值计算。提出的这种求解方法易实现编程计算，可以用于油气混输流动规律（分层流、环状流和段塞流等）的数值分析。