非对称复式断面明渠中污染物输移扩散的大涡模拟

运用大涡模拟计算了两个非对称复式断面明渠内的水流运动和污染物扩散，其中由亚格子尺度涡运动引起的亚格子应力与物质扩散通过Smagorinsky-Lilly亚网格模型模拟。预测结果与Shiono等使用激光多普勒流速计(LDA)和激光诱导荧光技术(LIF)测量的实验数据进行了对比，计算得到的流场结构和污染物浓度分布均较好地吻合于测量结果。成功地再现了在其中一个复式断面明渠中观测到的横向浓度分布呈现显著双峰值的现象，根据计算的流场得出复式断面明渠中流向交替变化的强烈横向流动是产生这种现象的主要原因。     

复式断面明渠浅滩水深及雷诺数对湍流结构影响的大涡模拟研究

天然河流主槽和滩地间存在复杂的水体交换和混掺。利用大涡数值模拟(LES)研究复式断面明渠浅滩深度和雷诺数对湍流结构的影响,研究结果表明:明渠二次流强度和脉动强度在主槽浅滩深度比为1/2时最大;滩槽交界区二次流对顺流向流速结构有较大影响,并使紊动能发生重分布;复式断面明渠二次流强度和脉动强度随着雷诺数的增加逐渐增大并趋于稳定。     

复式断面明渠水流三维数值模拟

复式断面渠道水流流场结构比较复杂,本文用耦合式求解器对复式断面明渠水流的三维流场进行了模拟.采用交错网格,界面上的动量差值采用Roe格式,紊流数学模型选用雷诺应力模型.将计算结果与实验结果进行比较,两者的吻合度较好,从而验证了数学模型的可靠性,最后又对复式断面明渠横剖面上水流运动特性进行了分析.     

复式断面明渠三维紊流的数值模拟

本文采用非线性ｋ－ε紊流模型和Ｎａｏｔ－Ｒｏｄｉ代数应力模型（Ｎ－Ｒ模型）模拟复式断面明渠三维紊流。非线性ｋ－ε模型用张量形式推出，适用于边界形状复杂的流动，而Ｎ－Ｒ模型采用一种补充关系式反映计算点与界面距离对雷诺应力的影响，能较好地反映界面的作用。对一个复式断面明渠实例进行计算，给出了流速场（包括主流、二次流），壁面剪切力和雷诺应力分布，并与实验结果进行详细比较，还研究了浅滩粗糙壁面时的流动，除     

基于WMLES方法的复式断面明渠三维紊流数值模拟

针对基于雷诺时均Navier-Stokes方程的数值模型在精确模拟复式断面明渠三维水流结构方面存在困难和传统大涡模拟(LES)方法计算成本相对较高的问题,采用壁面建模的大涡模拟(WMLES)方法建立三维数值模型,对水深比(滩地水深与主槽水深之比)为0.5的复式断面明渠水流结构进行模拟计算。数值模拟计算结果与已有试验测量结果和LES模拟结果的对比表明,WMLES方法能够准确地模拟时均速度、床面切应力、紊动强度、紊动能、雷诺应力分布、二次漩涡结构,该方法在复式断面明渠水流三维模拟中是可靠的;在保证计算精度的前提下,与传统LES方法相比,采用WMLES方法能够显著降低计算成本。     

梯形复式断面引水明渠流场特征试验研究

本文以河南水厂泵站引水工程为例,对待验证的梯形复式断面引水明渠流场特征进行模拟分析。结果表明:相比于工况1、工况2,工况3下的水流紊动特征最弱,明渠对口门区的冲击及破坏力也最小,对保障工程正常运行有利。     

大涡模拟水环境中污染物团的运动规律

本文采用大涡模拟方法封闭引入浮力特性并经空间平均后的Navier-Stokes紊流方程，对水环境中污染物的运动规律进行研究。在用有限差分法对控制方程进行求解时，用破开算子法将控制方程分为对流、扩散和源项三部分，其中对流项用QUICKET程式求解，扩散项用中心差分求解，源项用Gauss-Seidel迭代法求解。数值计算结合物理模型结果表明，污染物团在水环境中运动除有时均定量关系之外，还有三大定性规律：第一，污染物团在时间和空间上具有不规则性；第二，污染物团后部是空的；第三，在同一条件下进行多次试验（数学和物理），污染物团的运动是不一样的。计算表明大涡模拟要优于通常的 κ-ε 紊流模型，它不但能够象 κ-ε 紊流模型那样计算出污染物在水环境中的时均运动规律，而且能够计算出其在空间上的不对称发展过程，能够准确地再现其在物理模型中的不对称运动特性。计算结果无论从定性还是从定量关系上都与试验结果吻合一致。     

复式断面明渠流能量及动量校正系数研究

在复式断面明渠流中,能量及动量校正系数对水力学计算结果的精确性有直接影响。为研究水深比（滩地水深与主槽水深之比）及滩地植被密度对复式断面明渠流能量及动量校正系数的影响,采用基于壁面建模的大涡模拟（WMLES）方法的三维数值模型,对5种水深比和3种植被密度工况进行数值模拟研究。结果表明：由于流速分布不均匀,主槽和滩地的能量及动量校正系数有明显差异,其值均大于1。随着水深比的增大,复式断面的流速分布趋向均匀,能量和动量校正系数随之减小,能量校正系数的变化范围为1.07～1.19,动量校正系数的变化范围为1.03～1.07。此外,随着滩地植被密度的增大,滩地与主槽的流速差值变大,能量和动量校正系数随之增大,能量校正系数的变化范围为1.09～1.59,动量校正系数的变化范围为1.04～1.21。最后,通过回归分析发现能量校正系数与动量校正系数存在线性关系,所得计算式可用于相同工况条件下能量及动量校正系数的预测。     

双圆柱绕流的大涡模拟

基于FLUENT软件平台上的三维大涡模拟方法,对定常来流流场中的单圆柱及不同排列形式的双圆柱进行了水动力计算,并对圆柱周围的瞬时流场、时均流场以及圆柱受力进行了分析.分析结果表明,当Re=6×104时,串列双圆柱中上游圆柱受力明显大于下游圆柱,下游圆柱Gd、Cl的变化频率满足fd=2fl,两圆柱的脱涡频率近似相等,涡街的相位相同;并列双圆柱的Cd基本相等,且变化趋势有一定相似性,脱涡频率均接近单个圆柱,涡街的相位相反;交错45.排列的两个圆柱Cd基本相等,脱涡频率接近,下游圆柱的涡街相位明显滞后于上游圆柱.     

滩地植被作用下非对称复式河道的三维数值模拟

本文采用雷诺应力模型(RSM)对乔木作用下的非对称复式河槽水流的三维紊流进行了教值模拟,并与标准k-ε模型比较.数值计算结果与试验结果的比较表明,RSM能较好地模拟滩槽交互区内的二次流和主流速分布,此模型模拟植被作用下的复式河槽是可靠的.且水深增大时,滩槽交互区的二次流也随之增强,并向主槽区移动,而主槽区二次流相应减小,滩地区二次流相应增大.     

不等直径串列圆柱绕流大涡模拟

为研究背负式海底管线中增设的小直径附属管线对主管线的水动力影响,将大涡模拟中经典Smagorinsky亚格子模型与特征线算子分裂有限元法结合,并引入出口对流边界条件,完善了基于特征线算子分裂有限元的大涡模拟方法。通过自编程序数值模拟Re=1 000的单圆柱绕流,计算结果与相关文献吻合较好,验证了该算法计算圆柱绕流的有效性,并分析了Re=1 000时不同直径比、间距比情况下的串列双圆柱绕流,根据流场的不同涡脱落形态及两圆柱平均阻力系数、升力系数随直径比、间距比变化的规律得到了不同直径比条件下的临界间距范围。达到临界间距后,流场由单一涡脱落状态转变为双涡旋脱落状态。最后分析了两圆柱平均阻力系数及升力系数在临界间距后急剧增加的原因,为背负式海底管线的布局优化提供了理论依据。     

Large eddy simulation of free-surface flows

This paper introduces and discusses numerical methods for free-surface flow simulations and applies a large eddy simulation(LES) based free-surface-resolved CFD method to a couple of flows of hydraulic engineering interest. The advantages, disadvantages and limitations of the various methods are discussed. The review prioritises interface capturing methods over interface tracking methods, as these have shown themselves to be more generally applicable to viscous flows of practical engineering interest, particularly when complex and rapidly changing surface topologies are encountered. Then, a LES solver that employs the level set method to capture free-surface deformation in 3-D flows is presented, as are results from two example calculations that concern complex low submergence turbulent flows over idealised roughness elements and bluff bodies. The results show that the method is capable of predicting very complex flows that are characterised by strong interactions between the bulk flow and the free-surface, and permits the identification of turbulent events and structures that would be very difficult to measure experimentally.     

弯曲管段内流动的大涡模拟

本文应用湍流大涡模拟方法对三维空间的弯管流进行了数值模拟。计算中使用了隐含流线迎风耗散作用具有三阶部分展开的Taylor-Galerkin离散格式，导出了经Gauss滤波流大涡模拟方法适用于边界形状复杂和存在各向异性大尺度涡的流动仿真。     

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...     

水下航行体壁面脉动压力的大涡模拟研究

湍流壁面脉动压力是重要的水动力噪声源,开展相应的计算与试验研究十分必要。作者在大涡模拟的理论框架下,结合精细网格生成技术,对于水下航行体的壁面脉动压力进行了数值预报。首先,详细描述了所使用的大涡模拟方程与动态Smagorinsky亚格子模型,介绍了离散求解的数值方法。其次,利用大涡模拟计算了SUBOFF模型主体与附体上的表面压力分布,并利用试验结果进行了验证,分析了大涡模拟方法计算定常流动的可靠性。再次,计算了平板的湍流壁面脉动压力,并与CSSRC的消音风洞试验结果进行了对比,分析了大涡模拟方法计算非定常流动的可靠性。最后,对于水下航行体模型主体上三个位置与围壳上四个位置处的壁面脉动压力进行了大涡模拟,得到了脉动压力1/3OCT频谱,分析了频谱高频与低频特性以及衰减特性,并用试验结果进行了验证。研究表明,本文建立的水下航行体壁面脉动压力的数值预报方法是可靠的。     

大涡模拟在水下航行体周围黏性流场计算中的初步应用

在空间过滤得到的不可压缩流动的大涡模拟控制方程基础上,利用基于三阶迎风偏置格式的混合差分及二阶中心差分离散控制方程的对流项及耗散项,离散得到的线性方程组通过无矩阵计算的隐式LU-SGS（Lower-Upper Symmetric Gauss Seidel）分步迭代方法求解.利用大涡模拟（Large Eddy Simulation-LES）方法对水下航行体周围的黏性流场及水动力进行了定常数值模拟,计算得到的速度、压力分布及阻力值与试验吻合较好.