完全三维自由表面非静水压力流动数学模型Ⅰ:算法

为准确模拟具有自由表面的非静水压力水波流动问题,本文采用有限体积法,在交错的、z坐标网格体统下,求解三维Navier-Stokes方程,建立了完全三维非静水压力水波流动数学模型。动量方程的对流-扩散项采用守恒的Euler方法离散,使模型具有守恒性的特点。为了减少垂向分层以及计算代价,采用对垂向动量方程积分的方法,与传统的垂向分层的三维非静水压力模型相比,模型考虑了表层非静压的影响。模型具有简单、守恒和高效的特点。     

基于定子永磁拓扑的混合式步进电机二维等效模型构建方法

齿层比磁导法和三维有限元法是目前分析混合式步进电机的主要方法。然而,齿层比磁导法难以考虑铁心叠片间绝缘层磁阻对永磁磁场轴向非均匀分布的影响、计算精度较差,三维有限元法计算过程复杂、耗时较长,为此提出一种基于定子永磁拓扑的二维等效模型构建方法及其二维有限元分析。该方法通过电机结构等效变换和轴向分段将混合式步进电机转子永磁三维模型等效变换为定子永磁二维模型,并采用对三维模型、二维模型分别进行一次空载有限元静态仿真的方法确定二维等效模型参数,能够考虑永磁磁场轴向非均匀分布的特性,具有模型建立简便、计算精度高、耗时少的优点。通过三维有限元仿真验证了该方法的可行性和准确性。     

弯肘形尾水管流场的三维数值模拟研究

针对弯肘形尾水管内部流场广泛存在流动分离的特点,采用基于k-ω模型的SST(Shear Stress Transport)切应力输运模型进行湍流求解,克服了标准k-ε模型对逆压力梯度造成的流动分离预测精度低的缺点。同时为了避免结构化网格离散复杂形体需人工分区的缺点,采用了非结构混合网格方法。流场大部分区域为四面体网格,在边界附近采用加密的五面体棱柱型网格,满足了SST模型对边界层网格的要求;为了减少网格过粗引起的计算误差,还通过计算不同网格数下尾水管的压力恢复系数来优选出合适的网格数目。计算获得了分离流、二次流和多尺度旋涡结构,表明SST模型能很好地预测尾水管内的湍流流动。     

温排水水槽试验与平面二维、准三维及三维数值模拟的比较

平面二维(简称"二维")、分层三维(简称"准三维")和三维模型是温排水数值模拟中的重要工具,但三种模型在温排水研究中的关键参数和模拟效果还缺乏系统研究。本文以人工气象试验厅内开展的温排水水槽试验为研究对象,分别采用常用二维、准三维和真三维模型进行了数值模拟,并与水槽试验结果进行对比。研究表明:三种模型的关键敏感参数为网格精度、广义黏滞系数和广义热扩散系数。二维和三维远区模拟效果相近;浮射流近区流场和温度场的卷吸掺混三维特性明显,三种模型模拟效果存在差异:准三维模型与三维模型相比,射流动量模拟不足,水温垂向梯度偏小,回流区位置和尺寸捕捉精度略低,在温升面积、形态等方面的模拟效果差于三维模型。     

RNG k-ε湍流模型在三维弯曲河流中的应用

本文采用非正交曲线坐标下的三维RNG k-ε双方程湍流数学模型,该模型在水平方向采用非正交曲线坐标,在垂直方向采用等分网格的全坐标变换,采用由二维深度平均方程演化而来的2-D泊松方程计算三维自由水面,应用SIMPLEC程式求解方程。通过两个180°弯曲渠道和天然河流Fall River部分河段对本文的数学模型进行验证,给出水位、流速及二次流的分布图等。对比分析,本模型的计算结果和实测值吻合很好,表明采用2-D泊松方程法计算三维自由水面是可行的,RNG k-ε湍流数学模型可以应用到天然河道的计算中去。     

RNG κ-ε湍流模型在三维弯曲河流中的应用

本文采用非正交曲线坐标下的三维RNGκ-ε双方程湍流数学模型,该模型在水平方向采用非正交曲线坐标,在垂直方向采用等分网格的全坐标变换,采用由二维深度平均方程演化而来的2-D泊松方程计算三维自由水面,应用SIMPLEC程式求解方程.通过两个180°弯曲渠道和天然河流Fall River部分河段对本文的数学模型进行验证,给出水位、流速及二次流的分布图等.对比分析,本模型的计算结果和实测值吻合很好,表明采用2-D泊松方程法计算三维自由水面是可行的,RNG κ-ε湍流数学模型可以应用到天然河道的计算中去.     

基于无结构、σ坐标网格的半隐式三维水沙数学模型Ⅰ-算法

针对天然河流水域边界不规则的特点,提出了平面无结构、垂向σ坐标网格上三维自由水面水沙数学模型的基本框架。模型基于压力分裂模式和θ半隐算法建立,求解分为两步,第一步求解一个关于自由水面的二维Poisson方程,获得水位和临时流场;第二步求解一个关于动水压强的三维Poisson方程,获得动水压强场并用它来校正临时流速场。在构造动水压强三维Poisson方程时借鉴了BOM模型方法,而在自由水面处理上摒弃了其内外模分裂方法,因而模型不受模式分裂方法中一致性问题的影响。在三维水流模型的基础上建立了悬移质泥沙模型,采用欧拉-拉各朗日方法（ELM）求解控制方程中的对流项,使模型计算的时间步长不受CFL稳定条件限制。     

应用无网格迦辽金法的电力电缆载流量计算

针对电力电缆载流量计算的温度场局部高梯度以及电缆、土壤层构成的多层不连续材料问题,提出一种基于无网格迦辽金法(element free Galerkin method,EFG)的电缆载流量计算新方法。建立了具有不连续材料的地下直埋电力电缆载流量计算二维温度场模型,使用EFG离散化模型,利用拉格朗日乘子法解决多层不连续材料问题。针对温度场局部高梯度问题,采用非均匀布点,在局部高梯度附近加密节点,使用Linked-Cell-List算法提高动态影响域的计算效率。计算结果表明,相比有限元法,EFG求解电缆温度场局部高梯度问题时误差更小,计算精度更高。     

复式断面三维漫滩水流的数值模拟

本文采用非正交三维曲线坐标下的k-ε双方程湍流数学模型,对弯曲不规则地形的渠道和漫滩流动进行数值模拟。该模型在水平方向采用非正交曲线坐标,在垂直方向采用等分网格的全坐标变换,对河道底部表面和两岸壁面使用壁面函数法处理。通过弯曲渠道和顺直漫滩带有弯曲主槽的模型对本文的数学模型进行验证,给出弯道各断面的主流速分布图、各断面的二次流分布图等。对比分析,本模型的计算结果能够较好的反映实验结果,表明该模型对三维漫滩水流流动有一定的应用价值。     

基于非静压三维数值模型的丁坝水毁研究

为了分析丁坝水毁的原因,需要清楚丁坝局部水流特性和坝体压力分布情况,非静压水流模型不仅可以更精确地模拟丁坝局部水流流态,而且可以准确模拟坝体压力的空间分布。本文建立了基于非结构化网格求解三维自由表面流动的非静压数值模型,模型通过对Tominaga水槽试验的模拟,验证了模型的准确性和有效性。利用本文所建立的模型,模拟了两种常见的丁坝结构型式在两种工况下的水流及压力分布情况,分析了流速和压强变化对丁坝水毁的影响。分析表明,丁坝的坝头和坝根处的流速较大,而且坝头和坝根位置的坝前后压差也较大,从而导致丁坝的坝头和坝根处容易水毁。     

基于修正控制方程的复杂边界溃坝水流数值模拟

建立了适应于结构网格的复杂边界浅水流动有限体积数学模型。基本控制方程采用对自由水面相对高度在水平向和垂直项进行分裂后形成的守恒性的修正二维浅水方程,在结构网格上采用中心型格式离散基本控制方程,采用能够有效捕捉激波的近似黎曼求解器HLLC计算界面通量,并使用坡度限制器重构界面两侧变量,利用MUSCL-Hancock在时间维上积分,使时空精度提升到二阶;分别采用中心差分格式和全隐式方法处理底坡项和阻力项,保证了模型稳定性。提出了局部修正底高和水位的干湿边界处理方法和基于B样条曲线的复杂边界处理方法,很好地处理了急变水流变化引起的干湿单元网格的动态交替和复杂边界处水流特性正确表达。最后通过算例证明了模型性能较好,具有推广价值。     

大型电站锅炉炉内流场数值计算技术的研究

采用kε双方程湍流模型、QUICK格式、CIMPLE算法和非均匀交错网格系统,对W型火焰锅炉燃烧室三维冷态流场进行了数值模拟,绘出了典型截面的流场图和速度分布图,揭示了W型火焰锅炉燃烧室内流动的主要特性。计算实例表明,将QUICK格式和CIMPLE算法同时应用于湍流回流的数值模拟,可以在保证较高数值模拟精度的情况下兼顾数值模拟速度。     

大型电站锅炉内流场数值计算技术的研究

采用k—ε双方程湍流模型、QUICK格式、CIMPLE算法和非均匀交错网格系统，对W型火焰锅炉燃烧室三维冷态流场进行了数值模拟，绘出了典型截面的流场图和速度分布图，揭示了W型火焰锅炉燃烧室内流动的主要特性。计算实例表明，将QUICK格式和CIMPLE算法同时应用于湍流回流的数值模拟，可以在保证较高数值模拟精度的情况下兼顾数值模拟速度。     

W型火焰锅炉燃烧室三维冷态流场的数值计算

采用k-ε双方程湍流模型、幂函数差分格式、非均匀交错网格系统和SIMPLER算法,对W型火焰锅炉燃烧室三维冷态流场进行了数值计算,给出了典型截面的流场图和速度分布图,揭示了W型火焰锅炉燃烧室内流动的主要物理特性,探讨了W型火焰锅炉燃烧室在燃烧低挥发分无烟煤时,在煤粉燃尽、煤粉点燃和低负荷稳燃等方面的机理,计算结果能反映炉内流动的基本特征,在工程上具有一定的参考价值。     

具有阻尼拉金和叶顶间隙的汽轮机末级复杂三维流动特性

为获得具有阻尼拉金和叶项间隙的叶栅通道内复杂流动的详细状况,采用重整化群湍流模型(RNG k-ε)、壁面函数法、结构化网格,混合平面法建立了三维黏性流动数值模型,基于该模型分析了某汽轮机末级的流动状况.结果表明:阻尼拉金附近沿叶片展向动叶表面静压、通道内流线分布均发生了显著变化,其中吸力面受到的影响更为显著.在叶项和动叶吸力面上都发生了流动分离现象,表明该处存在分离涡和泄漏涡;同时,由于叶顶间隙的存在,动叶接近叶顶处压力面静压降低,甚至出现低于吸力面的情况,此外考虑阻尼拉金以及考虑阻尼拉金和叶顶间隙的汽轮机末级等熵效率与无阻尼拉金相比分别降低了0.39%和1.23%,表明泄漏损失在以上两种损失中占主要部分.     

基于模型变换的混合式步进电机静态特性仿真分析方法

混合式步进电动机磁场分布主要有3个特点:内部径向磁场和轴向磁场并存,磁路呈三维分布;磁路局部饱和现象严重,导致电机特性呈现非线性特性;气隙以及邻近部位磁场变化剧烈。采用有限元算法进行计算时,需要建立电机的三维模型,剖分网格要足够精细,尤其是电机气隙以及齿层部位的剖分网格须特别精细,导致电机模型的剖分文件过大,容易发生计算机内存溢出,也延长了计算时间。因此,常规的三维有限元计算方法对混合式步进电动机不甚适用。另一方面,气隙比磁导法和齿槽比磁导法等基于磁路计算的工程方法运算速度快,但精度偏低,尤其是在磁路发生严重饱和的情况下。因此,有必要在保证计算精度的前提下,采用必要的简化措施对混合式步进电动机进行分析。该文以一台两相混合式步进电机为例,提出通过模型等效变换的方法来获得二维等效模型,通过二维有限元软件对其静态特性进行计算,并将计算结果进行后处理(即模型反变换),实现原电机的性能仿真。仿真结果与实测结果基本一致,证明了基于模型变换的仿真分析方法的可行性与准确性。     

水轮机叶片三维边界层计算

本文用有限差分法计算混流式可逆水力机械水轮机工况叶片表面上的三维边界层。水轮机转轮核心区的三维势流由边界元法给定。叶片表面附近的粘性流动,用三维半正交坐标系中的边界层方程表示。为了提高边界层流动的计算速度和精度采用贴体坐标生成计算网格,并利用Cebeci变换函数及Keller分块解法。计算的叶片表面压力分布曲线与试验结果进行了比较。     

W型火焰锅炉燃烧室三维冷态流场的数值计算

采用κ－ε双方程湍流模型,幂函数差分格式,非均匀交错网格系统和ＳＩＭＰ;ＬＥＲ算法,对Ｗ型火焰锅炉燃烧室三维冷态流场进行了数值计算,给出了典型截面的流场图和速度分布图,揭示了Ｗ型火焰锅炉燃烧室内流动的主要物理特性,探讨了Ｗ型火焰锅炉燃烧室在燃烧低挥发分无烟煤时,在煤粉燃尽,煤粉点燃和低负荷稳燃等方面的机理,计算结果能反映炉内流动的基本特征,在工程上具有一定的参考价值。     

非静压假定的σ坐标下垂向二维浅水模型的应用研究

本文采用σ坐标下的垂向二维自由表面流动的k -ε双方程湍流数学模型 ,加入动水压力项 ,采用有限体积法来离散 ,求解模型时利用SIMPLE算法。本模型通过带有槽沟的明渠水流资料进行验证 ,计算结果与实测结果吻合较好 ,在预测底部有潜堤明渠水流时 ,计算出潜堤后面有明显的回流。     

基于AUSM~+-UP格式的有限体积模型及其在钱塘江河口的应用

通过引入空气动力学计算领域中发展起来的AUSM+-UP格式,建立了基于非结构网格的有限体积法求解二维间断浅水流动的数学模型。模型通过变量重构和梯度限制将空间精度提高到二阶,同时使用单元节点水深计算压力项以实现源项平衡,并对动边界进行特殊处理。最后模拟了两个经典的水力学算例和钱塘江河口潮流运动实例,结果表明模型不仅保持了AUSM+-UP格式的各种优点,而且在实际应用中具有良好的精度及适用性。