Large eddy simulation of water flow over series of dunes

Large eddy simulation was used to investigate the spatial development of open channel flow over a series of dunes. The three-dimensional filtered Navier-Stokes (N-S) equations were numerically solved with the fractional-step method in sigma coordinates. The subgrid-scale turbulent stress was modeled with a dynamic coherent eddy viscosity model proposed by the authors. The computed velocity profiles are in good agreement with the available experimental results. The mean velocity and the turbulent Reynolds st...     

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。     

宽顶堰水流数值模拟分析

本文利用紊流模型模拟了带有曲线自由表面的宽顶堰流的紊流流场,采用VOF法来确定自由表面,采用气液两相流计算模型对宽顶堰流场进行了数值模拟,计算结果与试验数据较为吻合.模拟结果表明,数值模拟是作为研究水利工程中带有自由表面的水流结构的一个强有力的工具,其结果对物理试验也是一个很好的补充.     

自由表面流动数值模拟方法的探讨

本文建立和开发了一个用于求解具有自由表面的二维不可压缩粘性流体流动的Navier-Stokes方程的数值模型，这个模型采用ALE方法描述流体的运动，基本方程组中的流速和压力利用Projection 2方法来解耦，空间离散采用有限单元法，而时间离散则采用semi-implicit方法，自由表面位置则通过求解相应的偏微分方程来确定，而计算过程中网格的调整则采用了新的方法，算例结果令人满意，表明方法可行。     

挑流消能水气二相流数值模拟

采用VOF法对挑流消能从库区到下游水垫塘进行了全程水气二相流二维数值模拟。模拟了射流的空中轨迹线和水垫塘的自由水面，得到了计算域的流线、压力、流场、紊动能k及紊动能耗散率ε分布，并用物理模型对模拟结果进行了验证，二者吻合良好。说明利用湍流二相流模型及VOF法对空中射流水舌及水垫塘流态模拟是可行的。     

Numerical models and theoretical analysis of supercritical bend flow

The flow pattern of supercritical flow in bend channels is complicated due to the shock wave phenomenon, which creates difficulties with regard to research and design of bend channels. Using the spillway of an actual project as an example, a three-dimensional numerical investigation was conducted to simulate the flow in a steep-slope bend based on the renormalization group(RNG) k-ε turbulence flow model and the volume of fluid(VOF) method. The validity of the numerical simulation was demonstrated by comparison between the results of numerical simulation and physical model tests. An optimal scheme of setting vertical vanes in the bend channel is presented. The results of numerical simulation and physical model tests are in agreement, which demonstrates the effectiveness of optimization of vertical vanes and the validity of the three-dimensional numerical simulation. Water depths along both bend walls were analyzed numerically and theoretically. The formula for calculating supercritical water depth along either bend wall was derived, and the critical condition of flow separation from the inner wall was determined.     

二元单叶片泵内部流动的数值模拟

本文对单流道泵的物理模型进行简化，建立了二元单叶片泵内部流动解析的数学模型，采用势流边界元解法，数值模拟了泵内流动，并计算出单叶片泵的水功率，与试验结果进行比较，间接证明了计算方法的可行性。     

基于大涡模拟的悬板径向坡度对排沙漏斗流场特性影响数值模拟

为了解悬板径向坡度改变对排沙漏斗流场的影响,文章采用了大涡模拟和VOF相结合的方法对悬板径向坡度i=0、0. 083、0. 173、0. 259时的排沙漏斗水气两相三维流场进行了数值模拟,并采用离散相颗粒轨道模型(DPM)模拟了悬板径向坡度不同时排沙漏斗对粒径0. 001～0. 1 mm颗粒的截除率。模拟结果表明:随着径向坡度增加,切向流速先增大后减小或趋于恒定,说明室内涡流强度并不是随着悬板径向坡度的增大而单调增加,存在一临界的坡度使室内涡流强度达到最大值;坡度i=0. 173时悬板上方区域(除溢流表层外)径向和垂向的合速度方向平行于悬板径向底坡且指向漏斗中心,使该区内的泥沙被再次输运至漏斗室而不易随溢出水流流出,减少了泥沙进入下游和沉降落淤于悬板的机率。颗粒截除率模拟结果也表明i=0. 173时的漏斗对各级粒径颗粒截除率最大,也表明悬板径向坡度存在一临界值使漏斗截除率达到最大值。     

三维水沙数值模拟中紊流随机理论应用初探

在平面上采用一般曲线坐标,在垂向上采用σ-坐标变换,用模式分裂法求解自由面水位,采用窦国仁紊流随机理论[1]构建紊流随机模型下的水流泥沙三维数学模型,采用有限体积法离散方程,并针对水工构筑物附近水流运动特点,采用动水压力校正法求解耦合的压力和速度场,在泥沙起动流速里考虑了垂向流速的影响,把计算结果与试验结果及基于Boussinesq假设的紊流模型计算结果进行了对比,表明在同等计算条件下,基于紊流随机理论的紊流模型有更精确的模拟效果,能较好的反映三维水流泥沙的运动和输移情况。     

溢流丁坝附近自由水面的实验研究与数值模拟

在整治河道中，丁坝的存在使得丁坝附近自由水面及流场的三维特性非常突出，对这种三维特性非常突出的自由水面和流场的模拟在计算流体力学的应用中一直是个难点。作者对溢流丁坝附近的自由水面进行了实验研究，应用VOF方法和标准的k～ε模型耦合求解对丁坝附近自由水面的模拟，模拟结果与实测值吻合较好，说明VOF方法可以在丁坝附近自由水面的计算中应用推广。同时，还对溢流丁坝附近的流场进行了预测。     

波纹板内流体流动特性的数值模拟

以室温下的水为介质，以涡量一流函数为理论基础，运用代数变换法生成适体坐标，通过有限差分对波纹板板内流场进行了数值模拟；并以Re=500为例，求出其板内流体的速度场和压力场，进而对同一周期内和不同周期的速度场和压力场进行分析，给出了速度和压力分布变化曲线图，得出了不同雷诺数下流动阻力损失变化曲线与阻力关联式，为波纹板的强化传热研究提供了有利的参考。     

溃坝水流在复杂河道中传播的三维数值模拟

为研究河道弯曲和障碍物对溃坝波传播的影响,采用有限体积法对描述水流运动紊流模型和描述自由水面运动的VOF方程进行离散,建立了溃坝水流运动的三维数学模型,并对急弯河道进行了数值模拟计算。急弯河道溃坝波传播过程的模拟结果与前人实体模型试验结果基本一致。利用该模型研究了丁坝附近溃坝波传播的特性和溃坝水流的内部结构,数值模拟结果表明,溃坝波的传播受河道弯曲或障碍物的影响,产生反射和绕射,使得局部溃坝水流呈明显的三维特性。上游丁坝迎水面受到溃坝波波前的直接冲击,其动水压力远大于作用于下游丁坝的动水压力。另外,障碍物对溃坝水流的影响主要局限在障碍物上游和下游一定范围内,在此范围外,水流呈二维或一维特性。     

斜坡上梯形潜堤附近流动结构的数值研究

波浪通过斜坡上潜堤时的波形和非线性特性均有显著变化,同时潜堤附近会出现涡流的生成及消散现象,有必要对其深入研究.基于1:20的斜坡上的波浪水槽实验,分析规则波在斜坡上不可渗梯形潜堤附近的动力特性.本文垂向二维波浪数学模型以RANS方程为控制方程,采用非线性涡黏性(各向异性) 紊流传输模型封闭雷诺应力项,利用VOF方法追踪自由表面以及采用源函数造波技术来模拟规则波对斜坡上潜堤的作用,数值计算结果与实验测量数据进行对比,吻合良好.利用数值计算进一步分析了流场、流线、紊动动能及紊动动能耗散率等特性,重点探讨了堤顶水深变化的影响,得到随堤顶水深增大,潜堤的消浪作用将明显减弱.     

植被作用下的复式河槽漫滩水流紊动特性

分别选取塑料吸管、鸭毛和塑料大草模拟乔木、灌木和野草,通过水槽试验,探讨了不同滩地植物作用下的浸滩水流紊动特性。试验结果表明,纵向、横向和垂向三个方向的脉动流速基本满足正态分布;时均流速与采样时间的长短有关;横向动量交换比垂向动量交换大,横向动量基本上是主槽向滩地传递;不同的滩地植物对水流的紊动强度的影响不同。滩地种植植物后,水流的紊动强度增强。纵向和垂向的紊动强度相当,都服从S型分布。     

非淹没丁坝附近三维水流运动特性的研究

非淹没丁坝是河道整治工程中一种常用的水工建筑物。为了分析非淹没丁坝布置效果，对丁坝附近三维水流运动试验研究和数值模拟。建立了三维水流大涡模拟数学模型，采用迭代法求解速度和压力，再由离散化的自由水面运动方程求解自由水面；根据试验观测的水面线和流速分布资料，对数学模型进行验证。在此基础上，数值比较了三种丁坝(上挑，正挑，下挑)附近水流运动特性，结果表明，非淹没丁坝对水流运动影响较大，但三种形式的丁坝对水流的影响差别不大，相对而言，下挑丁坝对坝头防护效果较好。     

三维宽顶堰紊流场数值模拟及分析

本文利用三雏标准k-ε紊流数学模型,选择VOF方法追踪自由表面,采用气液两相流计算模型对宽顶堰流场进行了数值模拟,计算结果与试验数据较为吻合.模拟结果表明,数值模拟能够广泛应用于数值模拟带有复杂自由表面的泄水建筑物紊流场.     

Y型窄缝消能工三维水力特性数值模拟——以斯木塔斯水电站工程为例

为了解Y型窄缝消能工的水力特性,以国内在建斯木塔斯水电站工程为原型,采用标准k~ε双方程湍流模型,引入VOF模型求解自由水面的方法,对斯木塔斯泄洪洞Y型窄缝消能工进行了三维数值模拟,得到了出口明槽段水面线、射流形态、不同高程水舌形态、左右侧墙及底板压强等水力特性值,并与物理模型试验值进行了比较。结果表明,数值模拟的精度较高,能够详实地反映Y形窄缝消能工水流内部的情况,可为Y型窄缝消能工的选型提供依据。     

高雷诺数下双圆柱绕流的数值模拟

本文使用表面涡法研究高雷诺数下不同排列方式双圆柱绕流的流动状态，计算了双圆柱在并列、串列及级列的情况下的各种流动结构，涡街的变化及作用在圆柱上的受力情况。本文结果清楚地描述了双圆柱绕流复杂的流动状况，计算结果与实验显示的流动状况十分相似，斯特罗哈数和阻力系数与实验结果符合得很好。     

引江济淮工程江淮沟通段杨大庄跌水三维数值模拟研究

为解决引江济淮跌水、跌井汇流口水流水力特性模拟问题,采用基于 VOF 法的 RNG k-ε 双方程紊流数学模型对杨大庄跌水工程进行三维数值模拟研究,通过计算结果与已经完成的水工模型试验结果相对比,验证该模型模拟杨大庄跌水工程水流的水力特性的可行性。 研究结果表明：通过合理的处理网格及计算参数,杨大庄跌水水流入渠的流态、流速分布及水位数值模拟结果整体与试验值吻合较好,说明利用该模型模拟杨大庄跌水工程水流的水力特性是可行的,数学模型可用于指导和解决类似工程问题。