三维水流数值模拟研究进展

扼要地介绍了三维水流数值模拟研究的进展，归纳了常见的数值离散方法，给出了数值计算中常见问题的处理方法，指出了数值模拟成果可视化的必要。     

月牙肋岔管水流数值模拟研究

随着电力需求的不断增长,抽水蓄能电站的建设日益受到重视,其调峰平谷功能成为电力系统不可缺少的重要组成部分.结合江苏某抽水蓄能电站岔管部分的设计要求,对带有月牙肋板的岔管水流进行模拟研究,采用SIMPLE方法进行迭代计算,通过求解三维κ-ε紊流方程,较好地模拟了水流的流速场,并且通过物理模型试验得到了验证,从而肯定了数值模拟的合理性.     

反弧形溢洪道水流的物理模型与数字模型研究

采用物理模型、数字模型等方法完成了标准的反弧形溢洪道水流参数比较研究。物理模型由有机玻璃制成，放在试验槽内。沿溢洪道设有测压点。记录了10种不同水流情况的流量数据与压力数据。用解释雷诺和平均纳维尔－斯托克斯方程的计算流体动力学（CFD）商用软件来建立物理模型。从美国垦务局和美国陆军工程师团各种设计计算图表中内插得到的数据作为压力和流量数据。使用无因次流量曲线对各种方法获得的结果进行比较，并对高、中、低水流量情况的压力进行了比较分析。结果表明，物理模型与数字模型所得出的压力和流量结果极为吻合。数字方法的可用性，以及功效为工程人员设计和分析反弧形溢洪道又提供了一种工具。     

尚志镇地下水流三维数值模拟

尚志镇位于山前河谷平原区，地下水主要赋存于多层孔隙介质含水系统中，由于受自然地理条件及人为开采的影响。形成了地下水三维流区，文章根据水文地质模型，建立起了地下水的三维流水分运移数学模拟模型。通过模型求解，模型识别与验证，证实了所建模型可靠。     

连续弯道水流运动的三维数值模拟

基于雷诺方程和有限体积法建立了描述连续弯道水流的三维数学模型,用Shukry的强弯道试验结果对数学模型进行验证.结果表明,该模型能够很好地模拟弯道内水流的流速分布.采用该模型模拟了在不同弯曲度的连续弯道中的水流运动,结果表明:水流流速在弯顶靠近凸岸处较大,而凹岸处较小,弯顶处的水流断面流速分布和下一个弯顶处呈横向对称,且在两弯顶中间形成过渡.由于水流凸岸流速大于凹岸,因此当河岸类型为可侵蚀河岸时,凸岸将可能向后崩退,形成切滩.随着弯曲度的增大,弯道水流动力轴线更贴近凸岸.当河道弯曲到一定程度,一旦遇到洪水,很可能冲开河岸的束缚发生裁弯取直现象,并发展出新的河道.     

三维水流数值模拟

本文针对三维水流特性，引入通度概念处理不规则计算边界，用ＶＯＦ法追踪自由表面，采用修正的Ｋ－ε模型封闭Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程，分别计算了溢流坝水流及消力池中水跃．计算结果较好地与实验结果符合．     

弯曲河道中水流运动的三维数值模拟

基于雷诺方程和有限体积法建立了描述弯道水流运动的三维数学模型,用室内物理模型试验进行验证,结果表明,该模型能够较好地模拟弯道内水流流速分布以及湍流特征。随后用该模型模拟了若干典型平面形态和床面形态的弯道水流运动。模拟结果表明:弯道中浅滩和深槽相间的地形起伏加剧了断面流速分布的不均匀性,同时使得水流动力轴线更加偏向凹岸,流速的沿程变化也较平整床面更为复杂;另外,与对称型河湾(正弦派生曲线型)相比,非对称河湾(Kinoshita派生曲线型)中在两弯顶中间存在较多的低流速区,有利于泥沙落淤,而对岸流速一般较大,形成河岸的快速崩退,这能够从一个侧面解释非对称河湾向下游方向整体的快速迁移。     

有分隔叶片的混流式水轮机水流的数值模拟

瑞士科学家研究出了一种模拟具有叶算了和短分隔叶片的混流式水轮机转轮充的数值方法，可供设计使用的这项技术，采用了Ｈ型网格内包含Ｃ型网格的方法来离散两相同叶片的之间空间，工业应用证明，新方法的可靠性与多年来在瑞士工业上使用的标准欧拉法一样好。     

U形弯道水流试验及其数值模拟

弯道水流运动是河流动力学研究的基本问题之一,长期以来,其复杂的三维水流结构一直是研究者关注的重点。弯道水流在重力及离心力的共同作用下,形成弯道螺旋流,与顺直河道相比,具有特有的运动特性,主要表现在产生水面横比降、横向环流、流速重分布等方面。用声速多普勒流速仪（ ADV ）,对室内 U 形弯道水流结构进行了详细的测量,分析表明弯道环流出现了较为明显的双涡二次流变化过程。此外,试验验证结果表明雷诺应力模型（ RSM ）能较好地模拟弯道环流双涡二次变化过程,为深入分析弯道水流特性及其对泥沙运动、河床演变等影响问题提供了科学方法。     

明渠不恒定分离流数值模拟及试验验证

本文应用平面二维不恒定流数学模型成功地模拟了不恒定分离流的回流。通过与相应的明渠不恒定分离流的试验结果比较,流动图案、回流长度及正反向最大流速均相吻合,从而证明本文所依据的数学模型是正确的。     

基于一维运动波理论的坡面汇流和沟道汇流数学模型研究

一维运动波理论常用于坡面汇流和沟道汇流的模拟,根据坡面汇流和沟道汇流的特点,采用不同形式的运动波控制方程组来分别描述坡面汇流和沟道汇流过程。采用Mac Cormack格式开发了坡面汇流模型,采用线性离散和非线性离散的显式有限差分格式开发了沟道汇流模型,通过3个典型的算例对各模型进行了验证。验证结果表明,开发的沟道汇流模型是成功的;空间步长的尺度对数值解精度有较大影响,步长越小,数值解精度越高;在沟道汇流模型中,线性求解和迭代求解两种方法的计算结果基本一致。     

弯道水流的基本特性及数值模拟

总结了弯道水流水面横比降、横向环流、流速重分布、分离流及弯道切应力和局部阻力等基本特性及其研究现状;建立了极坐标下沿水深平均的弯道水流平面二维数学模型;并进行了试验室180°矩形弯道和长江调关河弯两个弯道水流的实例计算。计算和验证表明：建立的弯道水流数学模型能较好地模拟弯道水面形态变化和流速重分布。     

圆柱体绕流环隙流场轴向流速及水力损失试验研究

为进一步完善圆柱体绕流环隙流场理论,采用理论分析和模型试验相结合的方法,对不同流量及环隙比条件下圆柱体绕流环隙流场进行了研究,得出其轴向速度及水力损失随测点距离管道中心距离的变化关系曲线,并给出环隙水流轴向速度及水力损失分布曲线以及随流量及环隙比变化的相关拟合公式。试验结果与拟合公式基本一致,相关系数大部分在0.95以上,说明拟合公式是可行的。试验结果为圆柱体绕流环隙流场理论研究及实际应用提供了支撑。     

壅水条件下水流阻力试验研究

壅水条件下的水流阻力及输沙特性,在水利工程的应用中占有十分重要的位置。对壅水条件下河道开展概化水槽试验,采用声学多普勒测速仪ADV对水流流速进行了测量,并对壅水条件下水流阻力和床面切应力等进行了分析。结果表明壅水条件下,水流流速沿垂线分布较均匀流条件下更加均匀,当壅水程度越大时,水流流速沿垂线分布越均匀,且流速分布大致上仍服从对数率分布;壅水条件下,随着水深的增大,摩阻流速不断减小;壅水条件下河道水流阻力系数随着非均匀系数及水力半径的增大而增大;引入壅水程度指标,并拟合得到了床面切应力随壅水程度指标的变化关系式。成果可为壅水条件下水流结构特征及输沙规律的研究提供参考。     

Experimental and Numerical Investigations on Horizontal Oil-Gas Flow

Experiments were carried out to investigate the characteristics of oil-gas flow in a horizontal pipe on a large scale (with the inner diameter D = 125 mm). With the experimental data, the flow patterns were presented. Through the analyses for the flow regime transition, it was found that there was a critical superficial velocity of liquid phase for the flow regime transiting from stratified flow to slug flow. The slug flow could not occur until the superficial velocity of liquid phase was higher than the critical velocity. For the flow pattern transiting from stratified to slug flow, the transmitting velocity of gas phase decreases with the augmentation of superficial velocity of liquid phase. On the basis of the experiments, numerical simulations of different flow patterns and their transitions were performed with the use of the Volume Of Fluid (VOF) technique. The results of the computations are shown to match well with the measured data in the experiments.     

一维跨临界流数值模拟研究进展

综述了国外一维跨临界流数值模拟的主要研究进展,概括介绍了跨临界流的两种处理方法———激波捕捉法和激波拟合法,并重点介绍了一种简便、高效、稳定的实用算法(删减对流加速度项法)。     

明渠均匀流的摩阻流速及流速分布

在水槽系统上对明渠恒定均匀流进行了系列实验，利用实测流速资料，对明渠均匀流摩阻流速的各种方法（雷诺应力法、对数流速分布法、阻力平衡法等）的计算结果进行了对比，并分析了流速分布。结果表明：（1）利用阻力平衡法计算摩阻流速时应考虑边壁影响；（2）包含尾流函数的对数-尾流公式比单一对数公式可以更好的符合实测数据。用单一对数公式描述垂线流速分布时，应采用较小的Karman常数；（3）现有大量明渠均匀流实测资料中，用常用的Karman常数（x=0．4）时单一对数公式仍可以较好的表示全水深流速分布是因为采用了较大的摩阻流速。     

一种新的高精度的溃坝水流数值模型

溃坝问题，严格来讲，是一种不连续洪水波问题．传统的水流数值模型都是建立在数值求解圣维南方程组基础上的，而该方程组的基本假定就是水流必须具有连续性，所以，以圣维南方程为基本控制方程的水流数值模型应用于溃坝问题的计算是非常牵强的．提出一种新的以描述分子运动的BGK波尔兹曼方程为基础的水流数值模拟方法，这种方法没有水流连续性假定，计算表明，这种数值模型能够精确、稳定地模拟溃坝波问题。