紊流数值模拟的现状及进展

讨论了紊流数值模拟的发展历史、现状及真挚比较了各类紊流模型的优缺点及适用范围，并对特殊效应（曲率、近壁区）的处理作了介绍和评述，为了提高模型的预报能力，多重尺度和非线性模型正应用于工程计算。随着计算机的发展，大涡和直接数值模拟也取得了一些研究成果。     

几种主要紊流模型的应用特性比较

紊流的数值模拟始于上世纪50年代，先后发展了k-ε模型、二阶矩模型和代数应力模型，在工程实际中得到了广泛应用和检验。本文讨论了现阶段各种主要紊流模型的特点，并对不同的紊流模型进行评述。     

翻卷水舌鼻坎挑流的紊流数值模拟

将斜鼻坎与外边墙平面转弯相结合可使挑射水舌在空中横向翻卷,扩散更为显,同时,水舌中心线与溢洪道中心线形成较大的偏角,中将此种鼻坎称为翻卷水舌挑流鼻坎．通过翻卷水舌挑流鼻坎的水流属于带有复杂自由表面的紊流流动,本采用VOF法和k-ε紊流模型进行模拟,获得了详细的三维水流结构,计算与实测的水面线吻合良好,表明将紊流数学模型用于溢洪道翻卷水舌的数值模拟是合理可行的．     

用K─ε─A及K—ε─E紊流模型对二维突扩分离流的数值模拟

本文使用Ｋ─ε─Ａ及Ｋ─ε─Ｅ紊流模型，数值模拟了二维突扩分离水流问题。将应力模型中的近壁修正项考虑在Ｋ─ε─Ａ模型中，计算结果与实测资料吻合良好。文中讨论了两种模型在回流中的模拟属性，最后根据回流区中的紊流结构特点，分析了回流长度随Ｒｅ的变化规律。     

跌坎式底流消力池水力特性三维数值模拟与试验研究

采用三维数值模拟结合物理模型试验的方法,对某水电站表孔、中孔及其末端的跌坎式底流消力池的水流三维流场进行了计算分析和试验研究。分别比较了跌坎高度、消力池深度、跌坎水平长度以及出口侧收缩等对跌坎式底流消力池水流结构及相关水力特征量的影响,优选了水力特征量相对较好的跌坎式消力池结构布置型式,可为工程设计提供参考。     

线性与非线性紊流模型及其在丁坝绕流中的应用

本文采用线性与非线性三维紊流数值模型对丁坝绕流进行了仿真分析。采用的线形紊流模型为Zhu—Shih修正的κ-ε模型，非线性紊流模型为Shih等提出的κ-ε模型。计算分析了单一丁坝和丁坝群两种不同布置方式下绕流流场的紊动特征，并与实验结果进行了比较。结果表明，非线性模型对平均流场的描述要优于线性模型。文章对非线性模型能提高模拟精度的原因进行了分析。     

侧墙掺气坎水力特性的数值模拟

采用数值模拟的方法,研究了侧墙掺气坎的水力特性。与试验结果对比分析表明,用紊流数学模型来模拟泄水道反弧末端侧墙掺气坎的水力特性是可行的。数值模拟表明,不论是跌坎上游侧墙贴角,还是跌坎下游侧墙突扩,当侧墙掺气坎尺寸较大时,均会出现反弧末端过坎射流落水点下游两侧水翅串顶的不利流态。其控制条件为底空腔和侧空腔的相对长度,当侧空腔长度大于底空腔长度时,较长的侧空腔就为跌落至底板的紊动水流提供了流动通道,会出现不利流态,反之,当侧空腔长度较小时,能形成较好的流态。过坎水流落水点下游的流态对跌坎上游侧墙贴角尺寸较为敏感,相对而言,对跌坎下游侧墙突扩尺寸就不那么敏感。数值模拟也证实,采用尺寸较小的侧墙掺气坎,形成较小的侧空腔,能满足进行侧掺气的同时具有较好的流场水力特性。     

紊流模型理论的发展与现状

讨论了紊流数值模拟的发展历史、现状和趋势,比较了各类紊流模型的优缺点和适用范围。多重尺度和非线性模型正逐步应用于工程计算;大涡和直接数值模拟也取得了一些研究成果。     

泵站前池倒 T 形底坎整流措施数值模拟

为了改善泵站前池边侧大面积回漩不良流态,基于商用CFD软件Fluent,运用N-S方程和Reliable k-ε紊流模型对加倒T形底坎的前池进行数值模拟,分析倒T形底坎的几何参数对前池流态和边侧流速的影响。结果表明:无整流措施时,前池中流态紊乱,通过加设倒T形底坎可显著改善前池中的流态,提高边侧机组的流速,改善前池中流速分布均匀度;倒T形底坎设置在前池中的位置和其上部结构的尺寸对前池整流效果有明显的影响;倒T形底坎的位置距进水池入口7.5 D,上部结构高为0.4 H,宽为0.1B,前池中流态得到明显改善,边侧回漩范围减小。     

混流式转轮三维湍流流动计算方法

本文研究了基于κ-ε模型的全三维湍流计算技术在水轮机转轮流动计算中的应用方法。文中给出了以求和下标表示的在贴体坐标下的湍流基本方程组，介绍了计算中计算体、初边值的给定方法。最后，介绍了应用该程序对某电站水轮机所作优化后的主要流动计算结果显示。     

工程湍流模式的研究开发及其应用

为了对自然界中普遍存在的湍流运动的机理和规律进行研究，使之在工程实践中得到应用，工程湍流模式是非常实用而且有效的方法，本文总结了倪浩清提出的几种工程湍流模式，以及这些模式在冷却水工程、环境工程和海洋工程研究领域的应用。在此基础上，给出了一个全新的深度平均代数应力模型，经实际模拟计算，新模型所预报的污染物扩散、稀释和自净范围，比各向同性深度平均的k-ε全场模型更接近实际。     

跌坎消力池体型优化数值模拟

以某高水头大单宽流量的水电站为例,对不同体型参数的跌坎型消力池进行了一系列的数值模拟计算。在原体型设计的基础上,顺次改变出口反坡坡度、池长、进口跌坎坡度及高度,通过数值计算得出了各影响因素的变化对消力池内水力特性的影响,以此来确定最优消力池体型。由数值计算结果可得:消力池出口反坡不宜垂直;缩短消力池池长,冲击区时均压强略微减小,临底流速开始变化不大,当消力池池长缩短到一定程度时,临底流速明显增大;减小跌坎坡度,冲击区正向临底流速减小,但反向临底流速增大;降低消力池前半段高程,可使进口临底流速降低,但反坡段临底流速会有明显增大,建议不进行挖深工作;提高底板高程,时均压强减小,临底流速变化不大,考虑到挖方量,建议不降低底板高程。此研究成果可为类似工程设计提供参考和依据。     

环形UV消毒器流场模拟及湍流模型的研究

为了预测紫外反应器的流场特性,利用CFD技术,分别采用标准k-ε模型、Realizablek-ε模型、低雷诺k-ε模型和雷诺应力模型(RSM)进行了水力特性的模拟.结果表明:在x=0,z=1 cm以及x=0,z=83 cm处,4种湍流模型对z向流速的模拟结果都较符合PIV实验数据,在x=0,z=15 cm处,Realizable k-ε模型的模拟结果偏差较大,在x=0,z=64cm处,标准k-ε模型的模拟偏差较其他3种模型大.综合比较,低雷诺k-ε模型和RSM模型的模拟结果较为理想.     

透水斜槛参数对溢洪道弯道水流改善效果的影响

为研究溢洪道泄槽弯道布置不同透水斜槛的水流改善效果,进行室内水工模型试验,对不同透水斜槛方案的弯道水流改善效果进行分析比较。结果表明:弯道布置透水斜槛能够改善水流条件,提高弯道水面均匀度,减小横断面水面差;当透水斜槛较高、条数较多而流量又较小时,将出现弯道凸岸水面高于凹岸的现象;利用回归分析方法,建立了考虑透水槛高、斜槛条数及透水率等参数的弯道水面改善效果预测模型,可供工程设计参考。     

Numerical simulation of flow past circular duct

The Renormalization Group(RNG)k-ε turbulence model and Volume of Fluid(VOF)method were employed to simulate the flow past a circular duct in order to obtain and analyze hydraulic parameters.According to various upper and bottom gap ratios,the force on the duct was calculated.When the bottom gap ratio is 0,the drag force coefficient,lift force coefficient,and composite force reach their maximum values,and the azimuth reaches its minimum.With an increase of the bottom gap ratio from 0 to 1,the drag force coefficient and composite force decrease sharply,and the lift force coefficient does not decreases so much,but the azimuth increases dramatically.With a continuous increase of the bottom gap ratio from 1 upward,the drag force coefficient,lift force coefficient,composite force,and azimuth vary little.Thus,the bottom gap ratio is the key factor influencing the force on the circular duct.When the bottom gap ratio is less than 1,the upper gap ratio has a remarkable influence on the force of the circular duct.When the bottom gap ratio is greater than 1,the variation of the upper gap ratio has little influence on the force of the circular duct.     

同轴旋转分层流燃烧器空气动力场的数值模拟

同轴旋转分层流燃烧器运用离心力分层原理，对一、二次风混合进行有效控制，达到分级燃烧，抑制NO，生成的目的。由于离心力的作用，同轴旋转分层流燃烧器的湍流脉动是各向异性的，这使得基于各向同性假设的k-e模型不再适用。本文运用作者提出的考虑离心力影响的k-e模型(k-e-cf模型)，对流项采用混合差分格式，对同轴旋转分层流燃烧器空气动力特性进行了数值模拟，将数值预报与实验测定进行了比较，得到了较好的结果。     

超高水头竖井旋流泄洪洞不同湍流模型数值模拟

基于VOF法,分别选取标准k-ε紊流模型、RNG k-ε紊流模型和Realizable k-ε紊流模型,对某一超高水头、大泄量竖井旋流泄洪洞的水力特性进行数值模拟,并将紊流模型计算结果与模型实验数据进行了对比分析。结果表明:3种紊流模型模拟计算所得的空腔直径、竖井壁面压强、旋流角等参数变化趋势与模型试验测试结果基本相同,但量值有所差别。相比较而言,Realizable k-ε紊流模型计算所得旋转水流的空腔直径、压坡底板与部分竖井壁面压强、旋流角在量值上更接近试验测量值。因此,Realizable k-ε紊流模型能够更好地模拟这种具有超高水头、大泄量、强旋转并带有自由液面旋转水流的水力特性。     

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.