多孔紊动射流的数值模拟与实验研究进展

多孔射流作为流体运动的一种重要类型,在工程中具有非常广泛的用途。由于多孔射流各股水流之间的卷吸和掺混的存在,增加了流场的复杂性。长期以来研究人员从理论分析、实验测量和数值模拟方面对多孔紊动射流进行了大量的研究工作,目前已经认识了流场中的许多流动特性和流动机理。从数值模拟和实验研究两个方面,比较分析了国内外多孔紊动射流的研究现状和研究结果,评述了不同湍流模型以及不同实验测量方法对紊动射流的预测能力,讨论了存在的问题并对该领域的研究方向进行了展望。     

水动力学条件对复氧过程的影响研究

通过水槽实验对紊动水体复氧规律进行了研究.将氧通量理论应用于紊动水体复氧过程的研究,得到了紊动水体表面传质系数.数值模拟研究了实验流场分布和紊动特性,得出了紊动水体表面传质系数与流速和紊动动能的关系式.不同工况的实验资料验证表明了紊动复氧理论的合理性和可靠性.     

颗粒沉降问题的高解析度CFD-DEM-IBM流固耦合数值模拟方法

为实现颗粒沉降问题的精确数值模拟,探索稠密颗粒两相流中流体与颗粒间的影响机制,基于浸入边界法（IBM）,建立了高解析度CFD-DEM-IBM流固耦合数值模拟方法。分别通过流体动力学方法（CFD）及离散单元法（DEM）描述连续流体及非连续颗粒,引入浸入边界法处理颗粒移动边界,并在Navier-Stokes动量方程中附加体力项以体现流固相互作用,采用交错迭代算法在同一时间步内多次迭代求解直至收敛以实现流固间的强耦合。通过单、双、群颗粒的沉降行为模拟,结果表明:与传统CFD-DEM方法相比,该方法能够准确考虑颗粒间及流固两相间的相互作用,获得高解析度的流场信息。模拟结果与前人数值计算结果吻合,验证了该方法的准确性与有效性及其对稠密颗粒两相流问题的适用性与优越性。     

波浪作用下沙纹床面底层流动特性研究

涡动沙纹很大程度决定着床面阻力和波浪衰减,针对涡动沙纹作用下的绕流结构具有强二维特性,建立了立面二维曲线坐标下的数值模型.利用国外公开发表的试验数据进行验证,表明模型能模拟波浪作用下底层分离涡随时间、空间变化的动力特性,对底层流动的紊动特性、床面剪切应力的随时间、空间的变化以及涡动结构的尺度分别进行了讨论.     

一种改进的近岸波浪破碎数值模型

提出一种基于完全非线性Boussinesq方程的改进波浪破碎模型,用于模拟近岸浅水波浪破碎.模型借助水滚的概念,提出一种确定k方程紊动模式中紊动源项的计算公式,通过解k方程计算Boussinesq方程中的涡黏系数,实现对破碎波的模拟.岸边界采用窄缝法,使得模型可用于波浪爬坡的计算.用实验室实测波高和增减水资料对模型进行了验证,得到了一致的结果.紊动源、紊动动能以及紊动耗散率的计算结果表明:①在破波点处紊动源项值最大,随着波浪向岸边传播,逐渐减小;②破波点处,水平方向的对流和扩散在紊动能量输移中发挥重要作用;③岸边附近紊动源与紊动耗散接近平衡.     

基于格子Boltzmann方法的饱和冻土孔隙成冰介观尺度模拟

路基冻胀问题严重影响寒区高速铁路的安全服役,而成冰相变过程是解释冻胀机制的关键。基于介观尺度的格子Boltzmann方法,将修正的孔隙水冻结温度算法与焓法固液相变格子Boltzmann模型相结合,模拟了悬浮液滴冻结和冻土孔隙水成冰两个过程,分别揭示了液态水在自由状态和孔隙束缚状态下冰水相变的细观机制。计算结果表明：土体孔隙中冰晶由中心向外生长的过程与悬浮在空气中的液滴冻结过程截然不同,并且孔隙水越接近颗粒表面,其冻结温度越低。相同粒径颗粒按照不同排列方式得到的冻结特征曲线（soil freezing characteristic curves,简称SFCC）具有明显差异;不同粒径的SFCC随着颗粒增大残余水含量逐渐变少,形态更加陡峭。通过与文献试验结果对比,验证了格子Boltzmann方法的有效性,表明该方法能够为研究多孔介质水气迁移与相变过程提供介观尺度的新手段。     

一种高效建模数值算法及其应用——LatticeBoltzmann方法

近年来,格子Boltzmann方法(LBM)已发展为一种模拟流体和物理问题的新颖的、有前景的数值方法,在许多领域的各种数值问题求解上取得很大的成功.文章介绍了一种模拟复杂流动的高效建模数值算法Lattice Boltzmann方法和它的基本原理及其应用.并通过两个实例数值模拟计算,说明Lattice Boltzmann方法正确、有效.并展示了广阔的应用前景,为今后更深入的研究和广泛应用打下基础.     

粒径及级配特性对土体渗透系数影响的细观模拟研究

渗透系数是体现土体渗透特性的主要参数。已有关于粒径及级配特性对土体渗透系数影响的研究主要采用试验研究方法,在试验研究中各个变量相互影响,很难完全独立改变某一参数进行研究,从而造成已有研究结论差异较大。在其它参数不变条件下数值模拟基本可以独立改变某一参量,弥补试验研究方法的不足。本文采用离散元数值模拟方法,通过调节控制粒径的方式,随机生成不同粒径、不同孔隙率、不同级配的土体多孔介质。利用格子Boltzmann方法从细观孔隙流体尺度模拟了土中的渗流。研究结果表明,格子Boltzmann方法可以准确有效的模拟土中的渗流;在渗流过程中存在主通道现象和大粒径效应;本文计算结果与Kozeny-Carman(KC)公式完全一致,且证明KC公式适用于不同级配的土体;渗透系数随不均匀系数和曲率系数的增大而增大;给出了一个包含级配参数的渗透系数计算公式,该公式与KC公式基本等价,但所含参数是工程中较易测量的,对实际工程有一定的参考意义。     

粒径及级配特性对土体渗透系数影响的细观模拟研究

渗透系数是体现土体渗透特性的主要参数。已有关于粒径及级配特性对土体渗透系数影响的研究主要采用试验研究方法,在试验研究中各个变量相互影响,很难完全独立改变某一参数进行研究,从而造成已有研究结论差异较大。在其它参数不变条件下数值模拟基本可以独立改变某一参量,弥补试验研究方法的不足。本文采用离散元数值模拟方法,通过调节控制粒径的方式,随机生成不同粒径、不同孔隙率、不同级配的土体多孔介质。利用格子Boltzmann方法从细观孔隙流体尺度模拟了土中的渗流。研究结果表明,格子Boltzmann方法可以准确有效的模拟土中的渗流;在渗流过程中存在主通道现象和大粒径效应;本文计算结果与Kozeny-Carman(KC)公式完全一致,且证明KC公式适用于不同级配的土体;渗透系数随不均匀系数和曲率系数的增大而增大;给出了一个包含级配参数的渗透系数计算公式,该公式与KC公式基本等价,但所含参数是工程中较易测量的,对实际工程有一定的参考意义。     

基于多松弛格子玻尔兹曼的弯道水流三维数值模拟

为研究弯道水流现象并且拓展格子玻尔兹曼(Lattice Boltzmann Method,LBM)在水利工程领域的应用,建立了弯道水流的三维多松弛LBM演进模型,其中包括水流自由表面模拟、弯曲固壁边界处理以及紊流模型耦合求解等关键技术。应用该模型模拟研究了不同流量下U型弯道的水流状态,得到了水位、最大水深平均流速以及紊动能等参数的分布规律。分析和实践表明,该模型能较好地模拟三维弯道水流现象。     

基于LBGK方法的粘性流体晃动问题大涡模拟

LBGK结合大涡紊流模型方法应用于粘性流体运动的数值模拟,并在LBGK方法中引入VOF概念,用于跟踪自由表面的运动.利用这种方法计算了贮液容器中粘性流体的自由晃动以及非线性激励下的一阶模态晃动,得到了侧壁上压强分布,并拟合了压力和弯距的估算公式.分析和实践表明,该方法对带自由表面不可压缩流体的数值模拟具有较高的精度.     

弯曲槽道边壁振动情况下湍流特性的大涡模拟

为了更好地理解透平机械流道内能量耗散的机理和湍流结构变化,利用大涡数值模拟方法,数值试验了时、空做正弦振动的壁面所围成的弯曲槽道内的湍流流动。研究了6种不同的振动参数下,槽道内压力分布、近壁涡量以及其它相关湍流统计量的分布特性。计算结果表明,受展向壁面振动的影响,近壁区速度梯度增加,粘性底层变薄,湍流强度增加,能量耗散加大。该研究还发现壁面展向振动而引起的能量耗散主要依赖于近壁区粘性底层的展向涡量大小。     

明渠紊流中涡结构的运动规律

明渠紊流中随水流迁移的涡结构在传质过程中具有重要作用。为观测涡结构在整个生存期内的运动过程,将两套高频粒子图像测速系统的测量范围沿水流方向拼接,实现流场的大范围测量。将上述方法用于测量摩阻雷诺数为490~870的明渠紊流的纵垂面流场,并结合涡结构跟踪算法,得到了涡的生存时间、运动速度、位移及强度变化等参数。分析表明,涡结构的水平运动与水流同步,但整体有向水面抬升的趋势,在低雷诺数条件下,最大生存时间约10倍涡周转时间,最大垂向位移约0.4倍水深;随着雷诺数的增大,涡结构的量纲一运动速度未发生明显变化,但极限强度和强度变化速率均增大,且极限强度的增加幅度相对较小,使得涡结构的生存时间缩短,纵、垂向位移相应减小。研究结果揭示了生存时间是影响涡结构运动规律的关键变量,初步得到了涡结构运动规律随水流条件的变化趋势。     

A numerical study of particle motion and two‐phase interaction in aeolian sand transport using a coupled large eddy simulation – discrete element method

Wind‐blown sand movement, considered as a particle‐laden two‐phase flow, was simulated by a new numerical code developed in the present study. The discrete element method was employed to model the contact force between sand particles. Large eddy simulation was used to solve the turbulent atmospheric boundary layer. Motions of sand particles were traced in the Lagrangian frame. Within the near‐surface region of the atmospheric boundary layer, interparticle collisions will significantly alter the velocity of sand. The sand phase is quite dense in this region, and its feedback force on fluid motion cannot be ignored. By considering the interparticle collision and two‐phase interaction, four‐way coupling was achieved in the numerical code. Profiles of sand velocity from the simulations were in good agreement with experimental measurements. The mass flux shows an exponential decay and is comparable to reported experimental and field measurements. The turbulence intensities and shear stress of sand particles were estimated from particle root‐mean‐square velocities. Distributions of slip velocity and feedback force were analysed to reveal the interactions between sand particles and the continuous fluid phase.     

溢流堰与竖缝组合式鱼道紊流结构试验研究

利用声学多普勒测速仪（ADV）实测了凹口溢流堰与同侧布置竖缝组合式鱼道的三维瞬时流速,应用射流力学和紊流统计理论剖析了鱼道水池内的时均流速、紊动强度、雷诺应力、相关函数、紊动尺度等紊流结构。试验研究结果表明:溢流堰与竖缝组合式鱼道池内水流流态呈现出复杂的三维紊流结构;同竖缝相比,溢流堰对紊动强度和雷诺应力的变化有着更为显著的影响,尤其是鱼道池内表层区域;堰流区涡旋的相关性比竖缝壁面射流区好,并且堰流区存在较大尺度的涡旋结构,而竖缝壁面射流区的涡旋尺度则较小。相比单一式鱼道,组合式鱼道紊流结构更加复杂,研究结果可为优化鱼道设计、修复鱼类生境提供参考。     

几种紊流模型在底坎紊流分离流计算中的对比

利用标准模型κ-ε、重整群κ-ε模型和v2f三种不同的紊流模型,在同位网格系统基础上,采用了有限控制体积离散方程,数值模拟了底坎所形成紊流分离流。计算结果表明,所选用的3种模型虽大致都能模拟出底坎分离流的流动特性,如前后角涡、回流型态等,但在主涡心位置、回流长度、水头损失和流速分布等方面3种模型计算结果有所差异,其中v2f模型所计算的结果同试验和大涡模拟的结果值更趋一致。结果表明,v2f模型具有更精确模拟底坎所形成的紊流分离流方面的优势。     

Flow and contaminant dispersion analysis around a model building using non-linear eddy viscosity model and large eddy simulation

In the present paper, the analysis of concentration and flow fields around a model building was performed using two different approaches in turbulence modeling. In the first approach, the non-linear model of Ehrhard and Moussiopoulos was employed as one of the best cubic non-linear eddy viscosity models, and large eddy simulation was utilized in the second approach. The obtained results suggest that although the non-linear model has the ability to predict the anisotropic normal components of Reynolds stress tensor, due to time-averaged nature of its governing equations, it is incapable of estimating the correct values of Reynolds stress components and turbulent characteristics in the wake region of the model building. So the predicted turbulence kinetic energy values by the non-linear model are 45% smaller than those of large eddy simulation approach in the wake region behind the model building. Also different predictions of the wake region structure by the non-linear model and large eddy simulation approach revealed that elongation of iso-surface for \(\left\langle K \right\rangle\) = 1.5 in non-linear model is 56% more than that of large eddy simulation approach. The large eddy simulation approach shows much consistent behavior to the physics governing the flow compared to the non-linear model. Also good agreement observed between the results obtained through this approach and the experimental data. However, the disadvantage of large eddy simulation approach is the high computational costs.     

基于EDEM的碎屑流运动规律及冲击性能研究

泥石流运动规律及其冲击性能对于泥石流灾害的影响范围及严重程度具有重要决定意义。出于泥石流这类多相介质的复杂性,本文采用离散元仿真软件EDEM 2018对碎屑流冲击流槽试验进行了数值模拟研究,考虑流槽坡度、底部拦挡结构角度以及颗粒级配的影响,在已有研究成果的基础上对固体颗粒运动过程及冲击性能展开了系统研究。本文将数值模拟结果与现存试验数据进行了对比分析,验证了数值模拟方法的可靠性,在此基础上得出了以下结论:(1)在拦挡结构角度与颗粒级配相同的情况下,流槽坡度越大,对应的碎屑流运动速度与冲击力的峰值也越大;(2)在流槽坡度与级配相同的情况下,拦挡结构越陡,与其相互作用的固体颗粒数量越多,碎屑流越快达到速度和冲击力峰值,且对应的速度与冲击力峰值也越大;(3)在运动过程中,各颗粒级配的碎屑流均出现反序现象,且细颗粒含量的提升可提高碎屑流运动速度,但同时冲击力降低,而粗颗粒含量的提升可增大碎屑流对拦挡结构的冲击力,对于运动速度的影响较小。     

Statistical properties of the atmospheric turbulent boundary layer over steep surface waves

A new method of digital optical anemometry (Particle Image Velocimetry, PIV) of turbulent flows is suggested and implemented in the laboratory; it is based on the use of continuous laser radiation and high-speed video photography, providing continuous statistical ensembles of flow velocity fields. Application of the method to the study of wind field over waves has allowed us to perform, for the first time, direct measurements of velocity fields, averaged over turbulent pulsations induced by waves in the air flow. The experiments demonstrated that the velocity fields, averaged over the turbulent pulsations, are nonseparated even in the case of steep and breaking waves, when separation of the flow from the wave crests in the instantaneous fields is observed. Based on comparison with the experimental data, it is shown that the average wind fields over waves are described well quantitatively in the framework of semiempirical closure models of turbulence.     

Frequency spectra and intermittency of the turbulent suspension process in a sand-bed river

Previous research suggests that the turbulence-driven suspension process in sand-bed channels is dominated by intermittent, energetic eddies with length scales of the order of channel depth. Because of the scarcity of data on the turbulent suspension process in alluvial channels, the possible variability in suspension intermittency and turbulent frequency content due to contrasts in flow depth, velocity or bedforms remains unclear however. The present study analyses eddy correlation suspension signals from seven deployments in varied flow conditions around a sandy meander bend. Deployment depths at near-bankfull flow stages varied from 2 to 5.5 m, velocities at 0.75–1 m height from 0.6 to 0.9 m s^?1 and local mean suspended sand concentrations ranged from 30 to 150 mg L^?1 in the intermittence and spectral content of sand suspension between the various deployments are analysed and results are compared with previously published findings. Study data suggest that the dominant eddy sizes involved in sediment mixing across the sensor level are consistently of the order of 1–5 times flow depth and lie within the ‘energy-bearing’ turbulent range. When sand suspension is analysed in the time domain in the various deployments, energetic, burst-like suspension events occupying only 1-5% of the record duration account for 20-90% of the suspension work. The degree of intermittence in the suspension process was observed to increase in deeper flows, where mixing events contributing extreme vertical sediment fluxes appear to be relatively more frequent.