Turbulence characteristics in free-surface flow over two-dimensional dunes

The turbulent structure of open-channel flows over two-dimensional dunes is investigated numerically using large-eddy simulation (LES), in order to improve our understanding of the interaction between the dune-generated turbulence and the free surface dynamics. The filtered Navier–Stokes equations in the LES model have been discretised using the finite volume method, with a dynamic sub-grid model being employed for the unresolved scales of turbulence. The partial cell treatment has been implemented in a Cartesian grid form to deal with the dune topography. Both the volume of fluid method and rigid lid approach have been employed in the numerical framework to investigate the effects of the free surface treatment on the flow characteristics. The numerical model predicted mean flow velocities, turbulence intensities and Reynolds stresses have been compared with experimental measurements published in the literature, with a detailed analysis being undertaken to assess the accuracy of the model results and the effects of the free surface treatment on the velocity and turbulence predictions. The instantaneous flow structure has been investigated, with emphasis being focused on the free surface dynamics and coherent structures.     

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。     

Wake patterns of flow past a pair of circular cylinders in side-by-side arrangements at low Reynolds numbers

A flow past two side-by-side identical circular cylinders was numerically investigated with the unstructured spectral element method. From the computational results at various non-dimensional distances between cylinder centers T/D and the Reynolds number Re, a total of nine kinds of wake patterns were observed: four steady wake patterns, including single bluff-body steady pattern, separated double-body steady pattern and transition steady pattern for sub-critical Reynolds numbers and biased steady pattern for super-critical Reynolds numbers, and five unsteady wake patterns, including single bluff-body periodic pattern, biased quasi-steady pattern, quasi-periodic (flip-flopping) pattern, in-phase-synchronized pattern and anti-phase-synchronized pattern. Time evolution of lift and drag coefficients corresponding to each unsteady wake pattern was given.     

槽道中方形障碍物绕流的大涡模拟

本文应用二阶全展开ETG有限元离散格式与大涡模拟相结合的方法对固定在槽道一侧的方形障碍物的绕流进行了数值模拟，计算了雷诺数为40000的湍流情况下的绕流流场，将模拟结果与实验结果及他人的数值结果进行了对比，符合较好，表明大涡模拟与所论的具有较高精度的数值算法相结合，适合于具有大尺度涡的绕流运动流场的分析。     

低Reynolds数横向排列双圆柱绕流的POD-Galerkin谱方法数值模拟

该文将恰当正交分解(POD)方法应用到低Reynolds数(Re)二维横向排列双圆柱绕流问题.采用Fluent数值模拟得到Re=90时的流场数据库,在此基础上采用snapshot的方法构造了POD基.基于此POD基,构造了求解二维不可压缩Navier-Stokes方程组的低维Galerkin谱方法.采用该低维数值模拟方法,再现了低Reynolds数横向排列双圆柱绕流的多种复杂流动模式,其结果与已有的高精度直接数值模拟的结果符合较好,而计算量却非常小,显示了POD方法的有效性和优越性.     

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。     

用SST-DES和SST-URANS方法数值模拟亚临界雷诺数下三维圆柱绕流问题

基于剪切应力运输(shear stress transport,SST)的分离涡模拟(detached-eddy simulation,DES)在近壁面的流动区域采用SST模型,而在其他区域采用亚格子模型求解流场。本研究中分别应用SST-DES和SST-URANS方法对亚临界雷诺数Re=3900下的三维圆柱绕流进行了数值模拟,比较分析了两种数值方法下圆柱表面的时均压力分布、圆柱后方的漩涡脱落特征、圆柱下游流场的时均速度剖面分布等,并将数值模拟结果同前人物理试验比较,结果表明SST-DES方法在亚临界雷诺数下的三维圆柱绕流数值模拟问题上比SST-RANS方法具有更好的效果。     

基于MLSPH方法的自由表面流动数值模拟

光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynam ics,简称SPH)方法是一种Lagrange无网格粒子方法。SPH方法在解决自由表面流动问题时具有明显的优势,但同时也出现了计算精度低和稳定性较差的缺点。利用移动最小二乘SPH方法对自由移动粒子的密度进行周期性修正,模拟了二维溃坝自由表面流动,并将结果与传统SPH方法的模拟结果相比较。结果表明,移动最小二乘SPH方法降低了压力振荡,提高了计算精度,从而验证了此方法的有效性。     

亚临界雷诺数下波浪型圆柱绕流的数值模拟及减阻研究

采用大涡模拟数值方法对亚临界雷诺数Re=3000下波浪型圆柱的绕流现象进行研究分析。研究结果表明,波浪型圆柱的三维尾迹涡结构能得到很好的控制,它在轴向方向呈现周期性正负涡的交替分布特性。随着幅值的增大,波浪型圆柱表面的自由剪切层得以延展,使得旋涡的脱落发生在波浪型圆柱下游较远处,从而达到减阻的目的。波浪型圆柱与普通直圆柱相比,其幅值对平均阻力系数及脉动升力系数的减少及尾迹控制有着更重要的影响,最大减阻可达16%。     

透水框架的三方柱绕流数值分析

针对四面六边透水框架按高度分层后形成等边三角形布置的三方柱绕流问题进行了数值模拟,分析不同间距比l/d=1.5,2,3,4,5,7下流场分布和各方柱的升、阻力系数以及斯特劳哈尔数的特性。研究结果表明:当l/d=1.5~7时,B,C柱尾流场经历了近处漩涡掺混到近处漩涡分离,远处漩涡掺混到远处漩涡分离,最后形成各自独立的方柱绕流;在l/d=2时,各方柱的平均阻力系数明显减小,并且通过对流场分析发现此间距比下对水流的减速效果最明显;由于B,C柱的存在与单方柱绕流有很大区别:在流场方面,l/d=1.5时,B,C柱限制A柱边界层剪切带的卷起,随间距比的增加这种现象逐渐消失;在动力特性上,A柱的阻力系数明显小于单方柱绕流情况。斯特劳哈尔数Sr随间距比的增大而逐渐增大并趋近于单方柱绕流的值。     

不同下垫面红壤坡地壤中流对自然降雨的响应

壤中流是红壤坡地降雨产流的重要组成,但其发生机理与定量化一直是研究的难点。本文通过野外大型水分渗漏小区长期定位观测,研究自然降雨条件下,不同下垫面(百喜草植草覆盖、百喜草干草敷盖与地表裸露)红壤坡地壤中流产流特征及其关键影响因素。结果表明:(1)植草覆盖和干草敷盖能有效减弱红壤区降雨季节性差异对地表径流的影响,降低地表径流,促进壤中流发育;(2)植草覆盖与干草敷盖的次降雨地表径流系数是地表裸露的10.80%和12.55%,而壤中流次降雨径流系数为地表裸露的2.47倍和3.22倍;(3)下垫面条件能显著影响壤中流的输出特征,地表裸露壤中流主要发生在60 cm层,次降雨径流系数是30 cm层的1.29倍,植草覆盖和干草敷盖主要影响30 cm层,对60 cm层影响较小,且30 cm层次降雨径流系数是60 cm层的1.44倍和2.22倍;(4)春季是植草覆盖与干草敷盖30 cm层壤中流的主要输出季节,输出量占全年的34.90%和39.63%,随着土层深度增加,60 cm层壤中流季节性差异降低;(5)壤中流受降雨量和降雨历时两个因子影响显著,与降雨强度无显著关系。在红壤坡地侵蚀治理过程中,科学的坡面覆盖类型能有效调节坡面降雨-径流特征,控制降雨侵蚀,该研究有助于进一步认识红壤坡地土壤侵蚀机制及防治。     

利用表面过剩吸附模型研究低界面张力体系下油水两相渗流

利用表面过剩吸附理论,建立了表面活性剂在油层中的输运及吸附模型,并利用有限差分法将该模型与油水两相质量守恒方程进行了耦合求解。通过与实验结果的验证表明,表面过剩吸附模型的计算结果与实验结果符合地较好。应用此模型可以较好地研究表面活性剂在油层中的分布及其对油水两相渗流的影响。讨论了表面活性剂浓度及用量对活性剂分布及原油采出程度的影响,结果表明,表面活性剂注入浓度的影响与注入体积密切相关。     

低雷诺数下的钉螺绕流特征数值模拟

研究钉螺在水流中的运动规律对于控制钉螺扩散具有十分重要的意义。通过开源流体力学计算软件OpenFOAM,使用非结构化的三角形网格拟合钉螺边界,采用有限体积法和PISO算法计算平面无限区域中黏性不可压缩流体下的钉螺绕流运动,模拟了低雷诺数下横向和纵向2种水流条件螺体后方尾流形态变化,详细描述了漩涡脱落过程等现象;对比分析不同条件下钉螺的阻力系数C_D、回流区长度L_w/D、斯特罗哈数St等的区别。研究结果表明:随着雷诺数的增加,钉螺的阻力系数逐渐减小,尾流形态呈现3种不同的形态,初步确定各流态转变的临界雷诺数的范围。该研究可为进一步掌握钉螺扩散规律、改进水利阻螺措施提供理论依据。     

四川丘陵区常规耕作制下紫色土径流发生特征及其表面流数值模拟

设计了一种简单的壤中流观测系统来研究不同降雨产流事件的过程,结果表明：(1) 在小雨时,只有表面径流发生;而且,当雨前土壤较干燥,降雨初期雨强陡然增大的情况下,表面产流峰有特别明显滞后现象,这是由于临时相对不透水表层形成之故。(2) 在暴雨和大暴雨时,表面径流和壤中流都有发生;壤中流比表面径流滞后更明显;壤中流在雨后的产流历时与降雨无关;在大暴雨时,耕作层的壤中流水位过程曲线与表面径流相似,说明耕作层的大孔隙和管流明显。(3) 在小雨和暴雨时,表面流由超渗产流机制形成;在大暴雨时,表面流主要由饱和超渗产流机制形成,只有少部分回归流。(4) 表面径流的数值模拟能揭示表面产流的一般趋势,而且有一定的有效性,通过调整模拟参数,能使模拟效果更佳。     

高雷诺数下圆柱绕流与大振幅比受迫振动的数值模拟

利用CFD方法,研究较高雷诺数下圆柱绕流及圆柱大振幅比横向受迫振动特性。在Navier-Stokes方程和k??湍流模型的基础上,对圆柱绕流分别进行了二维与三维的数值模拟,得到了圆柱绕流的升力系数和漩涡发放频率数等结果。研究结果表明,三维模拟的升力系数均小于二维模拟结果。利用Fluent的动网格技术进行大振幅比圆柱横向受迫振动的研究,得到圆柱在不同振动频率时的升力系数及漩涡发放规律和圆柱在特定振幅及频率下的"锁定"区间。     

高雷诺数下带自由表面的重力波的有限元数值模型

本文基于扩展的虚拟浓度和Sommerfeld线性辐射边界条件建立了数值波浪水槽。用有限元方法结合大涡模拟（LES）湍流模型在Euler坐标系统中求解了二维不可压粘性流体的N－S方程，而自由表面函数方程是在沿流体质点迹线定义的Lagrange系统中求解的。为了检验该数值波浪模型的有效性，本文中用该数值波浪水槽进行了海底管线在波浪场中受力的数值实验，并与物模实验的结果做了对比，其雷诺数Re为10700。     

绕方柱流脉动压力场的大涡模拟

采用有限差分法，对雷诺数为22000的绕方柱流的脉动压力场进行了三维大涡模拟。采用时间分解算子法，将N－S方程分为对流分步、扩散分步和传播分步，再分别进行计算，在大涡模拟中，用两层模型处理Smagorinsky模型在近壁区模拟结果的发散问题。计算的压力场以及阻力系数、升力系数和Strouhal数均与试验结果较为吻合。     

应用PIV研究带自由表面的后向台阶流流动特性

利用粒子图像测速(PIV)技术,对Re在450~4490之间的16种工况下的二维后向台阶定常流动的流场进行观测,并与文献资料的结果和数值模拟的结果进行比较,得到在此Re范围内的台阶后再附着长度Xr随Re变化的规律,以及台阶后流速分布和水面线位置等特性,对实验过程中所出现的粒子跟随性问题和存在自由表面的问题进行了讨论。     

亚临界雷诺数下电磁力控制圆柱体绕流场特性的脱体涡模拟

该文利用Maxwell方程直接数值计算表面包覆电极与磁极圆柱体产生的电磁力分布,将其加入到动量方程中,采用脱体涡模拟(DES)方法,在亚临界雷诺数(Re=5×104)下,对电磁力作用下圆柱体在弱电解质中的绕流场结构及其升阻力特性进行了数值模拟与分析.结果显示:电磁力可以增大圆柱体近壁面的流体动能,延缓流动分离,减弱绕流场的三维效应;同时电磁力还可以显著减小圆柱体阻力,抑制其阻力与升力脉动幅值,而且随着电磁力作用参数的增加,圆柱体平均阻力及其升力系数均方值均呈指数衰减特征.研究表明,在亚临界雷诺数下,电磁力可以有效地改善圆柱体绕流场结构,达到减小其阻力并抑制其升阻力脉动幅值之目的,因此是圆柱型结构一种有效流动的控制手段.     

Improved conservative level set method for free surface flow simulation

By coupling the standard and the conservative level set methods, an improved conservative level set method is proposed to capture the free surface smoothly with excellent mass conservation properties. The improvement lies in the fact that the surface normal is computed from a signed distance function instead of the Heaviside function. Comparing with the conservative level set method, the inevitable numerical discretization errors to point the surface normal in arbitrary directions could be eliminated, and the instability of the numerical solution could be improved efficiently. The advantage is clear in the straightforward combination of the standard level set and the conservative level set and a little effort is taken in coding compared with other coupled methods. The present method is validated with several well-known benchmark problems, including the 2-D Zalesak＇s disk rotating, the 3-D sphere stretching in deformation vortex and the dam break flow simulation. The results are shown to be in good agreement with the published experimental data and numerical results.