棒束通道单相流数值方法应用特性

为改善压水堆棒束通道单相流与传热的数值计算效率和精度,在不同工况下对无格架四通道及带交混翼格架的5×5棒束通道模型进行数值模拟．采用高质量壁面函数网格和低雷诺数网格,从传热(Nusselt数)及流动(二次流,湍流强度)两方面对不同湍流模型、近壁面处理和近壁面网格的应用特性进行了综合评估．分析表明,Nusselt数受湍流模型及近壁面处理的影响均较大,二次流和湍流强度则主要受湍流模型的影响．雷诺应力模型(RSM)相比于两方程涡黏模型能更准确地预测无格架通道中的二次流,但在格架下游二者无明显差异．所有模型中只有SST k-ω模型结合不同近壁面网格均表现良好．工程计算中使用SST模型加壁面函数网格的方法能同时保证计算效率和精度,数值研究则推荐采用SST模型加低雷诺数网格．     

带定位格架棒束通道两相流相界面输运特性

为研究棒束通道内空泡份额及相界面浓度等相界面结构参数的分布特性，本文对带原型定位格架的5×5棒束通道竖直向上空气-水两相流进行实验研究。运用4头电导探针对流动方向上不同高度截面处的空泡份额、相界面浓度、气泡速度及平均索特直径等相界面结构参数的局部分布进行了测量。研究表明：相界面参数的径向分布主要由升力、壁面润滑力及湍流扩散力等横向作用力的综合作用决定；定位格架主要通过湍流漩涡聚集和格架剪切破裂影响相界面参数分布特性，二者作用效果相反；定位格架下游存在压降区，在其内部相界面参数分布发生剧烈变化。本文可以为棒束通道两相流相界面输运模型的优化提供参考。     

渭河下游河道及洪泛区洪水演进的数值仿真(Ⅰ)——数学模型及其验证

以渭河下游咸阳至北洛河河口间的一维洪水和距离咸阳断面下游136km的右岸洪泛区二维洪水为对象,进行4种洪水频率的一维和二维嵌套的非恒定流计算.对于非规则区域的二维非恒定流,采用了曲线坐标系下的有限分析法离散数值格式进行了数值模拟,针对动边界问题提出了新的数值处理格式,本部分为数值模型和计算方法的验证部分.     

渭河下游河道及洪泛区洪水演进的数值仿真（I）——数学模型及其验证

以渭河下游咸阳至北洛河河口间的一维洪水和距离咸阳断面下游136km的右岸洪泛区二维洪水为对象，进行4种洪水频率的一维和二维嵌套的非恒定流计算．对于非规则区域的二维非恒定流，采用了曲线坐标系下的有限分析法离散数值格式进行了数值模拟，针对动边界问题提出了新的数值处理格式，本部分为数值模型和计算方法的验证部分．     

滩地植被对弯曲漫滩河道主槽二次流发展的影响研究

滩地植被对河道水沙运动及河床演变具有重要的影响,尤其当洪水期水流漫滩时。为了弄清高密度植被对弯曲主河道水流特性的影响,作者采用模型试验,在弯曲复式河道滩地铺设模型草,模拟天然植被,通过改变上游来流量,研究了高密度植被对主槽二次流涡团高度及涡团中心位置的影响。结果表明,滩地植被对弯中断面附近的二次流涡团高度影响最大,二次流涡团高度在滩地无植被时等于主槽高度,而在滩地有植被后等于主槽高度加上滩地植被冠层高度,此时,滩地植被等效增大了主槽高度。进入弯段后,滩地植被对二次流涡团高度的影响逐渐减小,在弯顶断面可以忽略滩地植被的影响。根据试验结果,提出了不同断面二次流涡团中心位置的预测方法并用不同来源的数据进行检验,发现该方法可以准确预测弯曲主槽中不同断面的二次流涡团中心位置。最后,讨论了二次流相对强度与主槽过流率之间的关系,发现无论滩地是否有植被,最大主槽过流率总是出现在二次流相对强度较小的弯顶断面。在相同水深条件下,主槽过流率在有植被漫滩河道中比无植被河道大。随着主槽水深（相对水深）增大,有植被和无植被工况各断面的过流率差值减小。当主槽水深接近或小于滩地植被冠层高度和主槽高度之和时,弯曲主槽中的二次流涡团沿程变化特性将与非漫滩弯曲河道的二次流涡团沿程变化特性十分相似。     

水下航行器尾流数值仿真和特征分析

为研究水下航行器尾流特征的影响因素.文中借助圆柱绕流模型对尾流进行了数值仿真分析,基于计算流体力学中的大涡模型,通过二维和三维的数值仿真分析了航行器与入口间距、航行环境深度和航行器直径对尾流特征的影响.仿真结果表明:航行器与入口之间的距离越大,受冲击流的影响,尾流横向分散且分离处扩散的面积增加,尾流的速度减小;航行器航...     

非均匀来流中全方向推进器非定常水动力性能的研究

为进行安装全方向推进器的潜器运动仿真,研究了非均匀来流中全方向推进器水动力性能的面元预报方法,预报了不同轴向非均匀来流情况下全方向推进器水动力性能.基于螺旋桨面元法理论建立了非均匀来流中全方向推进器水动力性能计算的数学模型,对非均匀来流中全方向推进器的非定常水动力性能进行了数值预报.采用了关于扰动速度势的基本积分微分方程;并且采用双曲面元以消除面元间的缝隙,在桨叶随边满足压力库塔条件.在计算面元的影响系数时,应用了Morino导出的解析公式.为避免数值求导中的奇异性,用Yanagizawa方法求得物体表面上的速度分布.预报了非均匀来流中全方向推进器的非定常水动力性能,并与均匀来流中全方向推进器的非定常水动力性能作了对比.计算结果表明在某些轴向非均匀来流情况下,全方向推进器水动力性能要好于轴向均匀来流时的水动力性能.     

台风暴雨影响区域的溃坝洪水演进数值计算

针对东南沿海受台风暴雨影响流域中下游地势较低洼开阔,在台风暴雨过程中容易积水,存在大面积初始水深,出现较严重内涝的特点,建立考虑下游区域初始内涝水深的二维溃坝洪水演进数值模型.基于数字高程模型(DEM)的地形数据和矩形网格,采用有限体积法和逼近黎曼格式及逆风守恒格式求解方程,并以戌浦江流域为典型,重点分析该流域存在内涝时上游水库发生溃坝的洪水演进特点.结果表明,溃坝洪水受下游初始淹没水深的顶托,下游区域的淹没水深并不是初始淹没水深和不考虑初始淹没水深溃坝计算所得水深的简单叠加,越往下游初始淹没水深对计算结果的影响越大;如果在计算中不考虑初始淹没水深,将会明显错误地估计洪水所带来的灾害风险.     

复杂流场的二维数值模拟方法

提出了基于二维数学模型对溢洪道下游三维复杂运动流场进行模拟计算的一种新方法.通过对泄洪建筑物下游河道复杂流场水流运动及河床冲刷状况的分析,研究了自由面流消能区水流扩散方式、流动特征及相关水力要素的概化确定.根据主流下回流区和表层水股之间质量交换很小的特点,提出了把底部回流区域作为河道无实际过流部分,即修正河流下边界条件,对溢洪道挑坎下游复杂流场进行二维数值模拟的方法.利用上述方法对某工程实例进行了数值模拟计算,计算结果与实际流场状况比较一致,较为真实地反映了自由面流区的流动.     

汽轮机静叶栅二次流损失的数值研究

基于有限元有限体积法和全隐式多网格耦合算法,对某汽轮机高压级有一定扭曲度的静叶栅流场进行了三维稳态数值模拟,分析计算了叶栅通道内上下端壁二次流发展的特点及叶栅的气动特性。计算结果表明,叶栅端壁二次流损失与叶型型面及上下端壁面的汽流情况有密切关系。同时揭示了叶栅通道内的涡系演变特点,发现在流道尾部二次流强度发展迅速,在靠近背弧上下端部附近形成两个明显漩涡区,进而引起总压损失系数和出口汽流角沿叶高方向产生明显变化,这对存在一定扭曲度叶栅的气动特性研究及设计有一定的指导意义。     

附体对船尾伴流场的影响研究

为了探讨附体与主船体之间的相互干扰,分析船体的尾部流动特性,采用数值方法对粘性流场中带附体船舶和裸船体引起的伴流分布进行了计算研究.在数学建模的过程中,采用绘图软件AUTO-CAD绘制船体以及附体各剖面面域,再导入FLUENT前处理器GAMBIT联合建模,并采用非均匀有理B样条(NURBS)去拟合各个型值点,从而建立光滑的船体及附体表面外形.计算得到带附体船舶和裸船体桨盘面上不同半径处轴向速度,周向速度和径向速度的周向分布以及各圆周上平均轴向速度,周向速度和径向速度沿径向的分布情况.计算了不同傅汝德数下裸船体和带附体船舶桨盘面处的伴流变化.结果对比表明附体的存在将引起船体桨盘面处伴流分布的不均匀.计算结果与试验值吻合较好,说明该方法可以为模拟船体桨盘面处伴流以及分析附体对桨盘面处伴流的影响提供有效的数值工具.     

二次流对急弯河段水沙输移影响的数值模拟

弯曲河段中因二次流运动引起的横向输沙是引起崩岸的重要因素之一.为研究急弯河段中二次流运动对水沙输移的影响,以下荆江石首急弯河段为例,运用能考虑二次流影响的Delft3D模型对其进行计算,并用实测水沙资料验证模型的可靠性.在此基础上,详细分析了二次流运动对流速及含沙量分布的影响,同时分析了不同位置处二次流附加应力项、水面比降项及阻力项的相对大小关系.计算结果表明:考虑二次流后,能更有效地模拟弯道处的环流水力特性及横向输沙特性;二次流对水沙输移的影响效果在急弯河段十分突出,只有当来流流量足够小时,才能忽略二次流的影响.     

改善泄洪放空洞挑流消能效果的试验研究

采用水力模拟方法研究了某水库泄洪放空洞泄流状况及下游消能、冲刷、流态等问题.由于该泄洪放空洞属改建,轴向布置与下游河道边界不相适应,挑射水流入河后顶冲下游河道右岸防护堤,引起强烈的涌浪波动,以致壅高水位并造成流态紊乱,直接威胁堤防.通过分析研究,提出了将挑流鼻坎向左转角32°的优化方案,并采用束窄出口及圆弧扭面衔接的技术,调整挑射水流方向,有效保证了下游消能安全,同时避免了主流顶冲右岸堤防;由于消除了拦沙坎,下游出流平顺,边岸涌浪基本消失,大大降低了下游洪水位,削减了边岸回流强度与淘刷,保证了右岸施工营地的安全.     

锥度对主动脉弓血液脉动流的影响

为研究锥度对主动脉弓内血液脉动流的影响,文中建立了两个几何模型,分别考虑没有锥度和有锥度的情况。使用有限体积法对两者进行了数值模拟,得出了两者轴向速度、二次流、壁面切应力和局部雷诺数在一个心动周期内的变化情况。通过对比分析发现：锥度对于轴向速度、局部雷诺数大小影响较大,对于二次流和壁面切应力的大小和分布都有较大的影响。此外,锥度对于回流的初始发生位置也产生了影响。这些说明了锥度对主动脉弓血液脉动流具有重要影响。     

旋转环形偏心圆截面弯管内流动特性分析

采用贴体坐标系下的SIMPLE方法来求解旋转环形偏心圆截面弯管内流体流动的速度场。分析了偏心距和旋转对于二次流以及轴向速度分布的影响，同时给出了平均摩擦系数和壁面摩擦力的分布。结果表明，二次流和轴向速度的最大值总是趋向位于内、外壁面距离较大的一侧。在计算参数保持一致的条件下，在所研究的3种偏心距（0，0.2，-0.2）中，当偏心距为0.2时平均摩擦系数最小。当旋转从负到正连续变化时，平均摩擦系数和二次流强度存在临界点，临界点的数值依赖于偏心距。     

断面曲率半径对海底浊流的影响

基于雷诺平均的纳维尔-斯托克斯模型,三维数值模拟研究海底浊流在断面顶宽相同、但曲率半径不同的2个圆弧形弯曲渠道内的流动及沉积。结果表明:断面曲率半径大、边坡平缓渠道内的浊流更易在弯道顶点及其下游处发生溢流,而断面曲率半径小、边坡较陡的渠道浊流更易对边坡形成侵蚀,使浊流在渠道内流至下游时依然保持较高的流速及强度;经多次浊流事件的侵蚀及沉积,圆弧形的渠道渐渐向不对称的梯形转换;提高流向坡度会改变弯道顶点中心处二次流的方向。     

燃气涡轮带肋冷却通道流动与换热的大涡模拟

为研究涡轮内部扰流肋结构的流动和传热机理,分别采用雷诺平均(RANS)方法和大涡模拟(LES)方法对肋通道周期性计算域和全尺寸计算域进行数值研究;结合实验数据,对比分析雷诺平均方法和大涡模拟在流动和换热方面的准确性.结果表明:大涡模拟捕捉到了肋顶扁平涡结构的产生与脱落过程,该旋涡在近似肋顶面的高度和下游空间内发展并掺混,强度逐渐衰减,该过程与湍流强度的分布规律一致;获得了肋前分离流动中向侧壁面偏转的横向二次流等更加详细的流场结构,更加真实地反映了流场的特性;在流动预测方面,大涡模拟更加准确地预测到了平均速度分布和脉动量湍动能的分布规律;在换热方面,大涡模拟方法对换热增强系数的预测误差比雷诺平均方法要小.     

高桩承台桥受船撞击过程中水流作用分析

概述了在对高桩承台桥结构受船撞击数值仿真分析过程中考虑水流压力作用效应的必要性,阐述了基于波浪理论并考虑附加水质量计算水流力的简化流固耦合分析方法,同时简要介绍通用桥规及经典水力学理论中关于水流力的计算方法.基于动态非线性有限元技术分别建立无水流作用情况及采用上述三种水流力计算方法的有限元模型,分析比较验证了基于波浪理论并考虑附加水质量计算水流力的简化流固耦合方法的合理性及计算精确性.结果表明,对比通用桥规中计算静水压力及经典水力学计算绕流阻力的方法,按简化流固耦合方法计算的桥墩各部位响应更大,运用该方法对于桥墩防撞设计或结构安全评估将偏于保守和安全.     

一维稳态流非饱和土渗透系数垂直分布模型及其线性简化

渗透系数是控制地下水流动的重要参数,对渗透系数的空间分布规律进行研究具有重要的意义。基于Gardner模型获取了一维稳态流非饱和土渗透系数沿垂直分布模型,该模型用指数函数描述,受饱和渗透系数和无量纲的深度与流动率等因素的控制;该模型表明一维稳态流条件下均质典型土类的渗透系数其沿垂直方向变化趋势主要受比流量与饱和渗流系数的负数值二者之间的相对大小影响。分别采用泰勒级数方法和以地下水位处及地表处的渗透系数作为控制条件方法对一维稳态流非饱和土渗透系数沿垂直分布模型进行线性近似简化。采用泰勒级数方法获取的简化模型其计算误差随无量纲的深度增大而增大。简化后的模型具有形式简单、参数少等特点。通过算例对比简化模型与原模型的差异,计算结果表明:采用以地下水位处及地表处的渗透系数作为控制条件的方法进行线性近似简化的模型计算误差比采用泰勒级数方法获得的线性近似简化模型的计算误差小。     

承插型盘扣式钢管支架盘扣节点扭矩-转角模型适用性研究

承插型盘扣式钢管支架盘扣节点半刚性明显,是架体力学性能的重要影响因素之一.因此对架体进行精确数值分析时,需要合理选取盘扣节点扭矩-转角数学模型.在盘扣节点抗扭试验的基础上,采用数理统计方法获取盘扣节点扭矩-转角的二参数对数模型和三线性模型.通过架体荷载试验和有限元数值计算,对比分析盘扣节点单线性模型、三线性模型和二参数对数模型的适用性.三种盘扣节点模型参数选取合理时,架体有限元数值计算结果均可满足实际工程对稳定承载力的精度要求,其中盘扣节点采用二参数对数模型时,架体极限稳定承载力有限元数值计算值与试验值吻合性最好.由于立杆荷载分配不均、上下立杆连接半刚性、构件间隙和过盈装配等因素,架体侧移和盘扣节点扭矩的有限元数值计算值与试验值相差明显,结合试验数据规律,采用系数修正法对有限元数值计算结果进行了修正.