基于k-ε紊流模型的后台阶流流动特性研究

后台阶流是几何结构简单而流态复杂的流动现象.采用二维k-ε紊流模型对后台阶水流流动进行数值模拟,并结合PIV系统测得的雷诺数,对Re=500~50 000范围的台阶后定常流动流场数据进行对比分析研究.结果表明流场结构存在稳定的回流区,回流区长度随着Re的增大先急速上升,然后又急速下降,最后缓慢回升直至稳定.断面速度受回流区影响较大,峰值随断面的往下游推移逐渐减小,随Re的增加,断面速度也缓慢减小.压力、紊动能的分布也受到回流区的影响,其中紊动能在低雷诺数情况下受回流区的影响较小.     

壁面绕流结构和紊流发生率的试验研究

本文采用流场显示照相法和激光流速仪研究紊流的近壁绕流结构.实验结果表明,紊流处于光滑区、过渡区和粗糙区完全在于紊流绕过糙率后是否发生分离和分离层的发展程度,从而明确了紊流的近壁绕流的实际结构. 本试验也研究了处于层流向紊流过渡状态下的明渠水流的紊动规律.实验资料表明,过渡状态下的水流的紊动具有明显的阵发性和随机性,并实际统计了不同雷诺数下的紊流发生率.     

坡面流流速分布及紊动特性实验研究

该文利用粒子图像测速方法(PIV)对光滑床面条件下水深为3～7mm的坡面流流场进行了详细测量，并将分析结果与普通明渠流进行了系统对比。尽管坡面流的水深已达到毫米量级，但仍可以将其流态区分为层流、过渡流和紊流。坡面流条件下的流速呈抛物线或对数分布，当处于过渡区时，流速分布仍符合对数律，但其积分常数随雷诺数的增大而减小。与普通明渠流相比，坡面流的紊流内区范围偏大，当雷诺数较低时，水流黏性的影响可扩大至整个水层。受极浅水深的影响，坡面流的紊动强度在垂向上偏小，而在纵向上则明显偏大。     

学术讨论

该文在水槽中进行了紊流的近壁绕流结构试验和层流向紊流过渡的试验,填补了过渡状态下明渠水流的实验研究的空白。但文中也还存在一些值得商榷的地方,现提出来讨论如下。 (一)层流和紊流的划分标准 层流是一种稳定的水流状态,任何一点在x,y,z方向的流速分别为它们并不因时间而改变,其脉动量均为零。而紊流则是极为复杂紊乱的脉动流态,水流流速随时间变化,其脉动量中至少有一个不为零,有时甚至能达到相当大的数值。严格说来,所有的水流运动均为紊流,只是其脉动强度有大小差异,而在其非常微弱时,可以近似地把这种水流状态当作层流处理。该文中的紊流发生率实测值实际上是水流脉动强     

泄洪洞中闸室出口侧墙掺气体型研究

为消除中闸室出口侧墙上的掺气盲区并且改善水流流态,该文提出了突扩-渐扩侧掺气体型。采用RNG k-ε紊流模型对此掺气体型进行数值模拟,获得了侧墙上水流流态、压力分布以及水翅强度等水力特性。利用物理模型试验对计算结果进行验证,计算结果具有可靠性。结果表明:出闸水流弗劳德数一定时,侧墙突扩宽度和渐扩长度是影响水翅强度的主要因素,突扩宽度越大或渐扩长度越短,水翅强度越大;侧墙压力中心主要是由出闸水流冲击泄洪洞底板造成的;此掺气体型能形成稳定侧空腔并且侧墙上无负压产生,能够有效避免空化空蚀。     

数值模拟在渐扩式折坡消力池中的应用

为解决折坡消力池中水跃不稳定、流速分布不均及消能率低等问题,主要采用数值模拟方法对 河南省某水库枢纽南灌溉洞进行研究,提出完全渐扩式折坡消力池的结构。通过物理模型数据对比,验 证了数值模拟的可靠性。通过对消力池内部流场的对比分析,发现渐扩式折坡消力池提高消能效果的 机理:渐扩式消力池能使水流横向扩散的空间增大,增强消力池首部水流的立轴旋滚;消力池内存在较 大的横向速度梯度,产生剧烈的紊流剪切和横向流动。相对于非扩散消力池,渐扩式折坡消力池能较好 地控制出池水流的流速及流态,减少下游河岸冲刷,在设计时可以予以参考。     

均质高浓度流从层流向紊流的过渡及紊动强度

和牛顿流体一样,宾汉流体的雷诺数超过一定值后,其流动将从层流向紊流过渡。本文介绍了宾汉流体从层流向紊流过渡时的时均流速和阻力系数,以及宾汉紊流在光滑区的紊动强度沿垂线分布。文中也给出了宾汉流体由层流向紊流过渡时的临界雷诺数近似判别式。     

高含沙水流在明槽突扩段中的局部阻力

对突扩流动的研究,以往的研究者大都局限于对清水(牛顿流体)的研究上,有关呈非牛顿体特性的明槽突扩流动除苏联泥浆水力学专家Р.И.希辛柯有简略的试验现象描述外,目前未见有更详尽的试验文献报道.尤其是对明槽突扩流的局部阻力规律更有待于去探讨. 本文在难度较大的试验基础上,对高含沙水流扩散流动的试验现象进行了分析: 处于低雷诺区的高含沙突扩流动,虽然没有清水那样强烈紊动的扩散漩涡,甚至根本没有明显可见的扩散漩涡,但是它的局部阻力却远大于相应流速的清水局部阻力.而当流速大到足以使流动进入充分紊流区时,因结构流的破坏使高含沙浑水的局部阻力接近相同流速的清水流的局部阻力.     

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。     

平底光面明渠中紊流猝发的特性研究

在保持循环水槽底部平整和表面光滑仅改变流速的条件下进行了系统的实验研究 ,重点研究了雷诺数ReR 对紊流猝发的形态和特性的影响。采用流场综合分析法将流动显示与计算机图像处理相结合 ,与常用的点流速条件检测猝发现象相比有了明显改进 ,有利于加深对明渠紊流猝发的认识。PIV激光片光源频闪技术拍摄的猝发系列照片生动展示了明渠紊流流场的猝发特性 ,可用于直接分析 ;再经过计算机图像处理后可绘制流速矢量场图并进行相关计算分析。试验表明猝发喷射角约为 4 0°～ 6 0°,雷诺数ReR 增大会使喷射角略有增加 ;猝发喷射高度约可达到边界层名义厚度的 1/4～ 1/3高度。雷诺数ReR 增大明显增加了多头群体喷射现象 ,无量纲猝发周期加大 ,喷射尺度和清扫尺度也有增大趋势。对试验的分析表明雷诺数ReR 对明渠中紊流猝发的特性有重要影响 ,增大ReR 使得流态加剧向紊动转变     

INFLUENCE OF YOUNG'S MODULUS ON DRAG-REDUCTION IN TURBULENT FLOW USING FLEXIBLE TUBES

In order to develop technologies of friction drag reduction with a flexible tube to be used for water transport, experimental studies were carried out on the influence of Young's modulus on the turbulent drag reduction. The friction coefficients of flexible tubes with different Young's modulus were examined by using a sleeve-tube structure. The fluctuating vibration of the outer wall and the fluctuating pressure on the inner wall of the tubes were measured with a laser displacement sensor and a pressure sensor. The results are as follows. The smaller the Young's modulus of a flexible tube and the larger the Reynolds number, the larger the turbulent drag reduction rates become. The transition from laminar flow to turbulent flow can be delayed with an appropriate Young's modulus. Non-dimensional amplitude of fluctuating vibration on the outer wall is smaller than that of a viscous sub-layer thickness, and is positively correlated with the friction drag reduction.     

The mechanical energy equation for total flow in open channels

The mechanical energy equation is a fundamental equation of a 1-D mathematical model in Hydraulics and Engineering Fluid Mechanics. This equation for the total flow used to be deduced by extending the Bernoulli＇s equation for the ideal fluid in the streamline to a stream tube, and then revised by considering the viscous effect and integrated on the cross section. This derivation is not rigorous and the effect of turbulence is not considered. In this paper, the energy equation for the total flow is derived by using the Navier-Stokes equations in Fluid Mechanics, the results are as follows：（1） A new energy equation for steady channel flows of incompressible homogeneous liquid is obtained, which includes the variation of the turbulent kinetic energy along the channel, the formula for the mechanical energy loss of the total flow can be determined directly in the deduction process.（2） The theoretical solution of the velocity field for laminar flows in a rectangular open channel is obtained and the mechanical energy loss in the energy equation is calculated. The variations of the coefficient of the mechanical energy loss against the Reynolds number and the width-depth ratio are obtained.（3） The turbulent flow in a rectangular open channel is simulated using 3-D Reynolds averaged equations closed by the Reynolds stress model（RSM）, and the variations of the coefficient of the mechanical energy loss against the Reynolds number and the width-depth ratio are discussed.     

关于明渠水流的六区流态

用下临界Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数、上临界Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数、临界Ｆｒｏｕｄｅ数将明渠水流的流态划分为六区，即：缓层流、缓过渡流、缓紊流、急层流、急过渡流、急紊流，提出了六区流态划分图。并对明渠流与管流采用统一的流速公式问题，提出了看法。     

复式河槽漫滩水流的三维数值计算

采用紊流模型中的雷诺应力模型(RSM)对非对称复式河槽水流的三维紊流进行了数值模拟。数值模拟计算结果与试验结果的比较表明RSM能够很好地模拟滩槽交互区内的二次流、主流速分布和床面剪切力,此模型模拟复式河槽是可靠的。最后用RSM模拟了对称复式河槽在不同水深下的流速场及床面剪切力分布,得出当水深增加时,滩槽交互区二次流动纵向涡增强,而浅滩主流速及床面剪切力迅速增大的结论。     

滴灌灌水器迷宫式流道内部流体流动特性分析与试验研究

选取目前中国农业灌溉领域中最为典型的六种迷宫式流道滴灌管，利用精密读数显微镜与AutoCAD技术相结合的测量方式测定了流道几何参数，利用自行研制的灌水器水力性能测试平台测量了六种滴灌灌水器在不同压力条件下的自由出流流量，并研究了灌水器流道内部的流动特性。结果表明：低压运行对灌水器的水力性能有一定影响，但不显著；流道断面统计平均流速在0．08—0．90m／s之间；迷宫式流道内部流体流动的雷诺数R,为105—930，层流和紊流的流态转捩的临界雷诺数比常规尺度流道的值要小，低于255。     

应用PIV进行二维后向台阶流流动特性的研究(1)二维后向台阶流的旋涡结构的研究

利用PIV技术，对二维后向台阶定常流的瞬态速度场进行了测量，得到层流至湍流情况下定常流流场中旋涡的生成、发展和演化的现象和规律。本文分析了各种情况下旋涡结构特点、讨论了与时均流场和自由剪切层的区别，还给出了二维后向台阶流的拓扑结构。     

不同长细比圆柱绕流的大涡模拟

自从人们对层流圆柱绕流现象有了系列研究及清楚的认识后,逐渐把目光投向湍流的圆柱绕流问题,但高雷诺数下的圆柱绕流具有很强的三维特性,因此在数值计算时模型轴向长度的选取是大家关心的问题。该文基于开源软件OpenFOAM运用LES计算了4种不同长细比圆柱的静止圆柱绕流(包括一个二维算例),重点分析和对比了结果中的一些基础参数如St数、平均阻力系数等,与实验结果吻合良好。文中还进一步分析了时均顺流向速度U在流场中沿流向和横向的分布,发现长细比为π的圆柱算例中,计算域的轴向尺度已经能满足圆柱下游靠近圆柱处的流场中的三维结构的发展。     

表面糙率与明渠紊流猝发现象

采用流场综合分析法将流动显示与计算机图像处理相结合，在不同表面糙率的条件下重点研究紊流的猝发形态和特性.研究表明，表面粗糙度对明渠紊流拟序结构的特征有重要影响.猝发喷射角约为35～75度，随表面粗糙雷诺数增加趋于增大；喷射高度可达1/8水深；喷射尺度和清扫尺度均有随雷诺数增大的趋势.增大粗糙雷诺数明显增加了多头群体喷射现象，以致形成“喷射垫层”，清扫须在床面附近逐步深入推进；由于大雷诺数增加了群喷延续时间及清扫与喷射相持时间，无量纲猝发周期明显加大.分析还表明，在喷射迸发区域水体动能和紊流耗散率较床面附近提高了数倍.     

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。     

混流式水轮机飞逸过程瞬态流动与能量耗散研究

水轮机经历飞逸过程时,其内部将出现流动分离、涡漩及高振幅压力脉动等瞬态水力特性。为明确其在飞逸过程的不稳定流动特性,本文以某典型水头段混流式模型水轮机为研究对象,对其由额定转速过渡至飞逸转速的瞬态流动过程开展研究,数值计算获得的飞逸单位转速及流量与试验测试结果吻合较好。结果表明:飞逸过程中,转轮进口处水流在大冲角作用下形成较强的流动分离,诱发转轮叶片通道产生大尺度的涡漩结构,且随转速升高,涡漩体积逐渐增大,对主流形成强烈扰动。过流部件内均捕捉到低频、宽频特征的高振幅压力脉动,频率范围在0.5倍叶频以下,且对应的转轮域压力幅值最高。进一步,本文基于能量平衡方程分析水轮机能量耗散特性,发现各过流部件能量耗散主要发生在转速上升的初始阶段,且转轮和尾水管内的能量耗散之和超过耗散总量的90%。此外,湍动能生成项和雷诺应力做功项远大于黏性耗散项和黏性力做功项,表明不稳定飞逸过程中的能量输运和耗散主要由湍流主导。转轮内的主要能量耗散位置与涡漩结构位置对应,表明转轮内流动分离诱导的复杂涡漩结构是引起能量耗散的根源,为进一步揭示水轮机飞逸过程的能量耗散机制研究指明了方向。