流动环境中二维铅垂纯射流的试验研究

对均匀流动环境中的铅直二维射流进行了试验研究,得到了流动转变的条件.采用超声多普勒流速仪(ADV)对射流流场进行了测量,得到了流速矢量图和流线图,发现在射流的迎流面存在流线跌落现象.探讨了流速比对射流背流面涡心和分离点位置的影响.给出低流速比为8的射流流场的实测结果,以供数值模拟对比使用.     

高拱坝宽尾墩三维流场数值模拟

高拱坝表孔宽尾墩收缩射流水舌的扩散特性与其出口流速分布密切相关,为了求得收缩射流的水力特性,应用RNGk ε双方程湍流模型对高拱坝表孔不同体型及过流量条件下可能出现的降水曲线流态、急流冲击波流态、水跃壅水流态、缓流流态4种流态进行了数值模拟计算,水流自由表面的模拟采用VOF法,得到了溢流水面及流速分布。结果表明,无论在何种流态下,计算所得的水面曲线均与物理模型试验值吻合良好,所得的出口流速分布结构也验证了高拱坝宽尾墩收缩射流水舌不同流态下分散的机理。     

沙波迎流面流速分布公式

为进一步揭示沙波水流运动特性及提高沙波迎流面流速计算精度,采用两种概化模型,通过小水深沙波水槽试验,运用声学多普勒流速仪,对沙波沿程及垂线流速分布进行了测量。基于乐培九次生流理论公式,结合沙波水流特性,假定次生流在沙波迎流面上处于一个不断发展演变的过程,提出了发展函数和修正函数,得到了适用于沙波迎流面的流速垂线分布公式。研究结果表明:相对水深越小,沙波地形对迎流面水流作用越显著,使得上部流速减小、近底流速增大,且越靠近波峰这种现象越明显;建立的沙波流速公式与实测值吻合较好,能够准确地反映出迎流面流速变化规律。     

环形生态水槽流动的特性研究

实测了环形生态水槽内的流速分布。采用柱坐标系下的κ-ε湍流模型及SIMPLE算法,对该流场进行了数值模拟。从计算结果和实验资料的分析比较看出,计算结果可靠。在此流场内进行了钉螺的运动特点的实验研究,结果表明钉螺具有流速敏感性,对研究钉螺的随流扩散具有重要意义。     

动水中含污染物冲击射流横向高浓度聚集区的形成机理和特性分析

采用RNG湍流模型对动水中含污染物冲击射流滞止点下游区域的横向浓度分布特征进行了详细的数值研究,并与相应的实验结果进行了比较。分析了下游过渡区内横向高浓度聚集区的形成机理和扩散特性。计算结果表明,冲击效应和横流绕流对冲击射流下游过渡区内的横向浓度分布具有重要的影响。当流速比相对较小时,在靠近对称面以及底层壁射流与环境横流的横向边界附近出现较为明显的横向高浓度聚集区,计算结果表明,冲击效应产生的横向逆压梯度以及横流绕流导致的Scarf涡结构对横向高浓度聚集区的形成起主导作用。     

强弯条件下分层流运动特性试验研究

采用物理模型试验对强弯明渠剪切分层流的运动特征机理进行了研究,试验中模型特别制作了直段、90°、180°强弯段3套试验水槽,模型配有上、下层两套不同的进水系统,以产生上下两层不同的流速和温度,形成剪切分层流,试验进行了直段、90°、180°强弯段多种不同流速工况组合,试验工况流态也从存在明显分层逐步过渡到强掺混状态。采用ADV、HR 2红外热像仪、电子式点温计等量测手段,较为系统地获得了沿程不同断面的流速、温度分布,以及湍流动能、雷诺应力等反映运动机制的物理量,揭示了在强弯曲条件下分层流运动沿程特征分布和断面环流结构,并与直道情形进行了比较。     

基于图像测速的薄壁堰流表面流场测量方法

针对薄壁堰流水面落差大、流速沿程变化剧烈的特点,提出一种测量堰流表面三维流场的有效方法。该方法基于双相机共面法重构水面形态（无需对相机进行复杂的内外参数标定）和大尺度粒子图像测速技术（LSPIV）测量二维流场,通过相机像平面与水面之间的空间映射关系,将像平面的二维流场数据逆投影至世界坐标系下已知坐标点的切平面上,解算出三维表面流场。该方法应用于薄壁堰流试验,有效重构了堰流三维表面形态及流场,其初步结果表明,堰流的流向速度在自由泄流长度范围内先增加后减小,转折点大致在自由泄流长度中间位置;在该位置之后,垂向流速占主导;同时该方法可行,计算结果合理。     

激光测速粒子对复杂流动的响应研究——Ⅱ典型流场中粒子跟随性的数值分析

以修正后适用于高颗粒雷诺数的粒子非恒定运动方程为基础,将该方程无量纲化,定义了一般流场中粒子跟随性的概念,给出了粒子跟随性的数学表述。据此对典型流场中粒子的运动进行了数值计算,并定量分析了粒径、密度等参数对不同流动中示踪粒子跟随特性的影响。     

应用PIV系统研究横流中近壁水平圆柱绕流旋涡特性

应用粒子图像测速(PIV)系统对横流中近壁水平圆柱绕流进行了试验研究。介绍了试验原理及装置,讨论了试验参数的选取和粒子的跟随性问题。分析了上游来流的流动特性,显示了亚临界雷诺数下间隙比为0.5时圆柱后尾流区旋涡产生、发展和消亡的动态过程,比较了时均流场和瞬时流场旋涡结构。对圆柱尾迹的旋涡脱落特性进行了分析,得出在试验条件下斯特劳哈尔数保持为常数0.2的结论。     

各向异性密度流模型及其验证

针对密度流流动各向异性的特性,采用非线性k-ε模式求取雷诺应力,结合RNG模型及浮力修正建立了三维密度流模型.应用该三维模型计算了水库温差异重流,分析了温差异重流演进过程,并就流速分布与水温下泄过程与实测资料进行了比较.结果表明,所建模型由于引入非线性RNG模式,能有效反映密度流的各向异性特性,较好地模拟了流场和温度场强烈耦合的水库温差异重流,能准确预测温度分层过程与异重流潜行时间,具有较高精度.     

四种湍流模型对空化流动模拟的比较

采用四种湍流模型对NACA66水翼空化流动进行模拟,分析了不同湍流模型和壁面函数对空化流动模拟结果的影响.分析结果表明:ASM模型和RNG k-ε模型对空化数不敏感,且计算精度较高;Realizable k-ε模型对空化数的变化很敏感,对不同的空化数计算精度相差很大;标准k-ε模型对空化数不敏感,但精度不高.增强壁面函数法对空化数不敏感,计算精度较高;标准壁面函数法和非平衡壁面函数法对空化数有一定的敏感性,但计算结果差异不大.     

应用基于RNG方法的湍流模型数值模拟钝体绕流的湍流流动

首次采用基于RNG方法的湍流模型对绕流钝体后尾流流场进行了数值模拟。计算在任意非正交曲线坐标系下,采用非交错网格的有限体积法求解二维不可压N-S方程,计算结果与实验数据以及与采用标准的κ-ε两方程湍流模型计算的结果进行比较,结果表明基于RNG方法的湍流模型对于与时间相关的大尺度运动——旋涡脱落的尾流的详细结构,能够给出真实的模拟。     

温度和盐度分层流的数值模拟

以N-S方程和k-ε湍流模型为基础,针对水温和盐度分层流的流动特性,考虑了浮力对紊动的影响,建立了温度和盐度分层流的k-ε模型,对同时存在温度和盐度梯度的一类密度分层流进行了数值模拟计算,其中紊动平均量控制方程中的紊动项是由k-ε紊流模型计算,给出了速度、温度和盐度的分布。计算结果正确地反映了分层及紊动特征,与实测结果吻合较好。     

流动环境中铅垂圆形负浮力排放的三维数值模拟

建立流动环境中圆形负浮力射流的三维k-ε湍流模型,考虑浮力对射流的影响,结合试验资料进行数值计算,给出了不同射流比下的流线图和断面密度等值线图。发现了大射流比下喷口附近存在一个相对的低密度区以及射流撞击底部后向侧壁分流、密度分布呈现中间低两侧高的现象。     

圆形断面管道非满流水动力特性

为探究边壁双曲率对其水动力特性的影响，应用RNG k-ε紊流模型和部分面积体积障碍模拟技术（FAVOR），针对圆管非满流建立三维数值模型，通过物理模型试验结果验证该数值模型的可行性。针对底坡和充满度不同组合条件进行数值试验，分析断面流速、壁面切应力和雷诺切应力分布规律等。研究结果表明:圆管非满流断面上不同垂线的流速分布具有较好的相似性，据此提出了垂线流速分布的抛物线公式；针对不同充满度条件提出了壁面切应力沿湿周分布的统一表达式；雷诺切应力沿垂线服从线性分布规律，充满度越大且距中垂线越远，沿垂线的变化梯度越小；当充满度大于0.5时，由于受二次流影响断面中垂线上雷诺切应力出现负值。     

采用RNG紊流模型计算静止环境中圆形负浮力射流

基于RNG方法的κ-ε湍流模型,运用混合有限分析算法对静止环境中圆形负浮力射流进行数值模拟。从射流的最大入侵高度、流速矢量图、温度等值线、湍动能等值线、横断面上的流速和温度分布以及轴线上温度变化等方面与有效的试验资料进行了较为全面的对比验证。两者的良好吻合表明,基于RNG方法的紊流模型和混合有限分析法的结合能较好地模拟变密度流动。     

泄洪洞整体三维紊流数值模拟

利用实用、高效的泄洪洞整体三维紊流数值模型,对滩坑水电站泄洪洞进行了数值模拟,该模型采用引入VOF方法的k-ε紊流模型,结合通用性强、易扩展的非结构混合网格。为克服网格扭曲给计算精度带来的影响,用一种改进精度的格心格式计算通量,使之具有非结构网格剖分的灵活性,程序的通用性和可扩展性,又有较高的计算精度。数值模拟结果和模型试验数据的对比分析表明,该模型是实用可靠的。     

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。     

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。