带有自由表面紊流流场的数值模拟

带有自由表面的三维强紊动水流在水利水电工程中,以及其他一些领域普遍存在．对该种紊流的数值模拟历来是一个十分具有挑战的领域．应用双流体模型与传统的标准κ—ε双方程紊流模型相耦合,对水垫塘中紊流流场进行了数值模拟、数值计算结果与物模测量结果具有较好的一致性。     

基于SPH的自由表面流动数值模拟

光滑粒子流体动力学方法是一种新近发展的无网格数值方法,在处理自由表面等复杂边界、流体大变形方面具有显著优势.应用该方法求解了拉格朗日形式的Navier-Stokes方程,为提高计算精度,本文通过采用两种粒子模拟固壁边界,改进了计算方法.并对湍流、粘性流体、不可压缩问题进行求解.通过二维和三维算例对近岸水动力学中波浪传播、变形、与建筑物的相互作用问题进行了数值计算,验证了其可行性,并为SPH的进一步扩展和应用奠定了基础.     

用MPS方法数值模拟低充水液舱的晃荡

液体晃荡是一种非线性的自由面流动现象.在低充水率下,由于液体具有很大的运动空间,晃荡现象具有强烈的非线性特征,自由面的变形较大,剧烈时甚至会翻卷和破碎,这给数值模拟带来很大挑战.本文基于移动粒子半隐式法(Moving Particle Semi-Implicit,MPS)对低充水率的液舱晃荡问题进行了数值模拟.结果表明:当激励频率等于共振频率时,液体撞击到了液舱的顶板,并出现了飞溅现象,此时液体对侧舱壁产生了较大的抨击压力;在低于共振频率时,自由面出现了破碎波及波前的翻卷和融合等现象,抨击压力相对较小.计算结果表明,MPS方法能够很好地预测晃荡引起的拍击现象,数值计算得到的压力能够与实验结果很好地吻合.在自由面的追踪上,MPS方法具有很大的灵活性,能够很好地处理自由面的破碎、融合及液体的飞溅等流动现象.     

方艉船流动的数值模拟

本文在分析现有方艉船流动数值解法的基础上,针对方艉流动的特征,通过满足方艉处的运动学和动力学条件对数值方法进行改进;该方法可用于方艉船尤其是方艉船后加装尾板的船舶的兴波模拟;理论计算与模型波型测试数据的比较表明,该方法有较强的实用性。     

基于MLSPH方法的自由表面流动数值模拟

光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynam ics,简称SPH)方法是一种Lagrange无网格粒子方法。SPH方法在解决自由表面流动问题时具有明显的优势,但同时也出现了计算精度低和稳定性较差的缺点。利用移动最小二乘SPH方法对自由移动粒子的密度进行周期性修正,模拟了二维溃坝自由表面流动,并将结果与传统SPH方法的模拟结果相比较。结果表明,移动最小二乘SPH方法降低了压力振荡,提高了计算精度,从而验证了此方法的有效性。     

两相流相界面迁移的数值模拟

该文采用VOF法追踪了重力流液液和气液相界面的迁移,发现VOF法可很好地追踪强非线性、大形变的相界面随时间的变化。重点讨论了不同相密度比、黏性比条件下,液液相界面和气液相界面的运动形式,验证了液液相界面主要受Kelvin-Helmholtz不稳定性控制。结果显示：液相密度比越大,液液相界面随时间变化越快,气液交界面不再保持水平位置,而以摆动的形式存在;在黏性比小于5时,黏性比不太影响液液相界面随时间变化。     

带自由液面的艇/桨干扰特性数值模拟与验证研究

带自由液面的艇/桨干扰特性研究是水动力学领域的重点与难点.此文采用数值模拟方法研究了潜艇近水面航行时的艇/桨干扰特性.首先介绍了计算方法:流场采用RANS方法结合RNGk -ε湍流模型求解;自由液面捕捉采用VOF方法;螺旋桨运转采用滑移网格方法;带螺旋桨潜艇表面与计算域内全部采用结构化网格进行离散.然后,对于SUBOFF潜艇模型在不同浸深下的阻力特性进行了数值模拟,分析了自由液面对于模型阻力的定量影响.最后,对于带螺旋桨的SUBOFF潜艇模型在深潜与近水面状态下的艇后推力、扭矩进行了数值模拟,分析了自航因子,研究了艇/桨干扰特性.计算结果与试验结果进行了详细的对比分析,验证了计算方法与计算结果的可靠性.本文的工作可为将来构建数值拖曳水池提供技术支撑.     

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。     

某水闸消力池自由液面数值模拟的研究

就自由液面数值模拟进行了研究,给出了相关的控制方程,并简要介绍了应用Fluent软件实现数值模拟的操作步骤,最后应用Fluent软件中的VOF法对一个具体工程实例进行闸后消能结构中的自由液面进行了模拟,结果与传统设计方法得出的数值较吻合.     

二维非恒定粘性泥石流运动堆积的数值模拟

以结构二相流模型为基础,建立了二维粘性泥石流运动堆积的数学模型。模型采用三角网格的有限差分方法,具有计算效率高、边界处理精度高的优点。针对粘性泥石流运动速度快、龙头部位前缘坡度陡的特性,简述了计算中的动边界处理及泥石流停积条件的处理方法。以云南东川蒋家沟泥石流堆积试验为例,模拟了不同来流补给量下粘性泥石流的运动堆积过程。     

坝身泄水孔窄缝消能工三维水动力特性数值模拟

本文采用双方程紊流模型对中孔窄缝消能工的出流进行了三维紊流数值模拟,给出了侧墙压力分布、流场、挑流水面线等水流特性。计算结果和模型试验数据对比,两者吻合较好,对不同底板挑角的方案进行的比较计算结果,发现底板挑角对水流特性有着明显的影响。     

Numerical simulation of 3-D water collapse with an obstacle by FEM-level set method

An interface capturing approach based on a level set function for simulating transient two-phase viscous incompressible flows is applied in this paper. A narrow-band signed distance function is adopted to indicate the phase fields and the interface. The multiphase flow is numerically solved by three stages with finite element method(FEM):(1) solving a two-fluid Navier-Stokes(N-S) equations over the whole domain,(2) transporting the level set function with the obtained velocity field,(3) the level set function correction through a renormalization with continuous penalization which preserves the thickness of the interface. In this paper, the 3-D water column collapse with an obstacle is simulated, which yielded good agreement with the experimental data.     

坝身泄洪水气两相流二维数值模拟

为了全面了解坝身泄洪水力学特性,采用基于VOF方法的水气两相流二维紊流数值模型对坝身表孔泄洪进行了计算模拟,得到的坝面压力、水舌入水点等水力特性与1:50比尺的整体模型试验值基本吻合,同时还进一步分析得出了坝后较真实的水舌风场、坝身泄洪的能量损失过程以及水垫塘的水流特性,表明两相流数值模拟是研究坝身泄洪水力特性的有效方法。     

半隐式离散方法求解非静水压强假设下的三维自由面流动

利用半隐式有限差分方法对非静水压强假设下的三维自由面流动问题进行模拟与讨论.此算法所描述的流动模型在通常情况下比静水压强假设下的流动模型更加精确,特别是针对一些地形变化比较剧烈的高频短波问题.在任意尺度的非规则区域上,采用三维Navier-Stokes方程来描述自由面流动的控制方程.动量方程、连续方程、自由面水位演进方程均采用半隐式离散格式进行离散.并通过三维线性驻波验证算例和连接丹麦与瑞典的跨海工程(φresund海域)潮流模拟的应用算例,说明该模型模拟三维自由面流动问题较静压假设下的三维浅水模型具有较大的优越性.     

房渣土地基强夯加固三维数值模拟研究

为反映强夯加固作用下房渣土地基应力应变变化特点,在北京永定河园博园湿地强夯现场试验和实测资料的基础上,结合工程及加固区域地层环境特点,对房渣土强夯动力响应进行数值模拟研究,探讨房渣土地基相关物理量的响应规律,并与实际测量结果进行对比验证。研究结果表明:相对横向应力,竖向应力的最大值更大,并且竖向应力的分布区域主要集中在夯锤下方的土体中,而横向应力则更接近土体表面。动力数值模拟中夯坑的沉降量随夯击次数变化的曲线大致呈现负幂函数形式,第七击的单击沉降量小于0.1 m,总夯沉量1.23 m,曲线末端趋于水平,估计极限夯沉量在1.2～1.4 m之间。强夯过程的数值模拟结果和实际监测结果比较接近。模拟分析得出的位移与应力变化规律对于强夯加固回填土地基工作具有重要的参考意义。     

天然河段港口工程三维流场数值模拟

根据天然河段的地形条件,结合某港口建筑物布置,构建了工程河段流场数值计算模型.基于标准k-ε紊流模型,用有限体积法离散控制方程组,利用全隐式多重网格耦合求解技术,预测了港口工程河段水流流场的变化.     

Non-hydrostatic versus hydrostatic modelings of free surface flows

The hydrodynamics of geophysical flows in oceanic shelves, estuaries, and rivers are often studied by solving shallow water equations under either hydrostatic or non-hydrostatic assumptions. Although the hydrostatic models are quite accurate and cost-efficient for many practical applications, there are situations when the fully hydrodynamic models are preferred despite a larger cost for computations. The present numerical model is implemented by the finite volume method (FVM) based on unstructured grids. The model can be efficiently switched between hydrostatic and non-hydrostatic modules. The case study shows that for waves pro-pagating along the bar a criterion with respect to the shallowness alone, the ratio between the depth and the wave length, is insufficient to warrant the performance of shallow flow equations with a hydrostatic approach and the nonlinearity in wave dynamics can be better accounted with a hydrodynamic approach. Besides the prediction of the flows over complex bathymetries, for instance, over asymmetrical dunes, by a hydrodynamic approach is shown to be superior in accuracy to the hydrostatic simulation.     

溢流坝反弧段紊动水流的数值模拟

本文采用非正交网格控制容积法及ｋ－ε二方程紊流模型，求解二维时间平均Ｎ－Ｓ方程，对反弧段紊流进行数值模拟。计算中分别采用了标准的考虑曲率修正的ｋ－ε紊流模型。后者计算结果与实测值符合良好。本文亦讨论了位置未知的自由水面的处理。     

三维溃坝波绕方柱剧烈流动的数值模拟

该文采用自主开发的非定常黏性流动问题求解器naoe-FOAM-SJTU,对三维溃坝波和直立方柱相互作用问题进行数值模拟.求解器naoe-FOAM-SJTU是基于开源代码OpenFOAM的数据结构、工具箱和基本流场求解器,专门面向研究船舶与海洋工程水动力学问题而开发的数值计算程序,它可以模拟三维波与物体相互作用等复杂问题,能够较精确的模拟波浪破碎、翻卷等复杂自由面演化过程.计算结果给出了三维溃坝波的演化过程,包括溃坝波和直立方柱相互作用过程中的波面爬高、破碎及翻卷现象,给出了方柱附近的涡流场;并分析了流体黏性效应的影响,得到了直立方柱受溃坝波拍击作用的水动力时间演化过程图,计算结果与实验数据吻合较好.计算结果表明,采用naoe-FOAM-SJTU求解器可以有效地模拟有复杂波面演化的剧烈流动问题,较准确地预报波浪在结构物上的爬高和拍击力.     

基于SPH方法的溃坝流动数值模拟

应用光滑粒子流体动力学方法对溃坝问题进行了数值模拟,在现有SPH 方法的理论基础上对密度近似方程进行了重新初始化处理,分析了密度重新初始化对溃坝流动问题的影响,并对SPH数值模拟所得到的结果与试验结果以及移动粒子半隐式方法得到的计算结果进行了比较和分析.结果表明,对密度近似方程进行重新初始化保持了流场内的质量守恒,同时整个计算域内的压力分布更加规则,SPH方法数值模拟得到的结果与实验结果和MPS方法得到的结果非常吻合,验证了改进方案及所编程序的可靠性和计算结果的准确性.