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。     

Large eddy simulation of hydrocyclone—prediction of air-core diameter and shape

Hydrocyclones are widely used in the mining and chemical industries. An attempt has been made in this study, to develop a CFD (computational fluid dynamics) model, which is capable of predicting the flow patterns inside the hydrocyclone, including accurate prediction of flow split as well as the size of the air-core. The flow velocities and air-core diameters are predicted by DRSM (differential Reynolds stress model) and LES (large eddy simulations) models were compared to experimental results. The predicted water splits and air-core diameter with LES and RSM turbulence models along with VOF (volume of fluid) model for the air phase, through the outlets for various inlet pressures were also analyzed. The LES turbulence model led to an improved turbulence field prediction and thereby to more accurate prediction of pressure and velocity fields. This improvement was distinctive for the axial profile of pressure, indicating that air-core development is principally a transport effect rather than a pressure effect.     

苦草对水流结构的影响研究

为研究沉水植被对水流结构的影响,以苦草为对象,利用实验室水槽实验研究了含淹没水生植被水流时均流速、雷诺应力及紊动能的垂向分布特征。受苦草冠层的影响,时均流速在冠顶以上呈对数分布,且随着流量的增加,冠层倾伏高度降低,对数剖面愈加明显;冠层内部,由于冠层阻流面积在垂向分布上的差异,冠层内时均流速出现逆梯度分布,且在床面附近出现局部流速最大值。雷诺应力在冠顶附近达到最大值,并向水面与床底方向逐渐减小;受逆流速梯度的影响,冠层内部雷诺应力出现负值以及局部最大值。雷诺应力产生的剪切紊动使得紊动能在冠顶处最大,并向水面与床底进行垂向传输;受紊动传输距离的限制,冠层底部以叶片后产生的尾流紊动为主,紊动能较小。     

漫滩水流摩阻因子与涡粘性系数的研究

对复式河道漫滩水流进行了研究,建立了摩阻因子与一维明渠流摩阻因子的关系,揭示出滩地的量纲为一涡粘性系数随着摩阻因子的增加而增加,并将二次流的影响表达成与雷诺切应力相同的形式,从而将其归入表观切应力中,由量纲为一表观涡粘性系数确定,后者可通过量纲为一表观涡粘性系数与摩阻因子之间的一个关系加以计算,该关系类似于量纲为一涡粘性系数与摩阻因子之间的关系。对光滑边界上对称的漫滩水流进行了计算,计算结果与实验资料吻合良好。     

湍流模型在环境水力学研究中的应用

对湍流模型应用于模拟预报工程附近的流场特征与物质掺混输运扩散规律的研究进行了综述,分析了国内外各种湍流模型的研究现状及发展趋势;同时就湍流模型求解环境水力学问题提出了笔者的观点,并对零方程模型、单方程模型、双方程k-ε模型及修正的各向异性κ-ε模型、雷诺应力模型、代数应力模型、低雷诺数流动模型、双流体模型及湍流高级模拟等模型的各自特点进行了讨论。     

混流式转轮中流场的大涡模拟

建立了基于微可压缩流体理论的相对运动的大涡模拟方法,并对混流式转轮流场进行了三维非恒定粘性数值模拟,计算方法采用了有限体积法和预测-校正方法,对固体边壁的处理使用了“壁函数”法。得到了混流式转轮的三维速度场和压力分布,与k-ε模型计算结果进行比较表明,所建立的相对运动的大涡模拟方法对转轮性能预测更加精确、合理,对转轮改型设计具有十分重要的参考价值。     

A pore-scale numerical model for non-Darcy fluid flow through rough-walled fractures

This paper aims at developing a pore-scale numerical model for non-Darcy fluid flow through rough-walled fractures. A simple general relationship between the local hydraulic conductivity and the flow velocity is proposed. A new governing equation for non-Darcy fluid flow through rough-walled fractures is then derived by introducing this relationship into the Reynolds equation. Based on the non-linear finite element method, a self-developed code is used to simulate the non-Darcy fluid flow through fractures. It is found that the macroscopic results obtained by the numerical simulation agree well with the experimental results. Furthermore, some interesting experimental observations can be reproduced.     

双时间尺度紊流模型的非线性修正与验证

采用非线性雷诺应力模式对双时间尺度紊流模型进行了修正,并将修正后的模型应用于具有回流的突扩流的紊流模拟中,其计算结果比采用双时间尺度紊流模型有进一步的改进。     

Large eddy simulation of extreme hydrodynamic forces on structures with mitigation walls using OpenFOAM

The objective of this study is to evaluate the performance of a large eddy simulation (LES) numerical model to assess the influence of mitigation walls with various cross sections on the tsunami-induced loading exerted on a freestanding structure. The validation of the model was performed using laboratory experiment results previously conducted by the second author. The employed experiments simulated a tsunami-like bore at two different impoundment depths, including 55 and 85 cm. The results showed that the one-equation subgrid-scale energy transport LES approach performs better than RANS models such as k-ε, k-ω and LRR and can accurately reproduce experimental data obtained for a wide range of experimental conditions.     

粗糙岩石裂隙低速非线性渗流模型及试验验证

岩体粗糙裂隙非线性渗透特性是岩体渗流研究的重要课题。针对Javadi所提T模型中亚裂隙中速度恒定这一假设的不足,将其修正为速度与开度成正比的经验关系,考虑黏性压降和局部压降,提出了新的低速下粗糙裂隙非线性渗流模型（MT模型）。为了验证MT模型的正确性,对5种不同粗糙裂隙进行了低流量的饱和渗流试验,将现有模型及MT模型的预测值与试验结果进行对比,分析表明MT模型与试验结果更为吻合,且模型适用于粗糙性系数JRC≤10的低粗糙度裂隙,雷诺数小于1 000的低流速情况。对MT模型进行分析,初步揭露了粗糙裂隙的非线性渗流机制,即小雷诺数下的Darcy流和大雷诺数下的Forchheimer流,并用临界雷诺数区分两种流动行为。分析了裂隙的粗糙度和开度对非线性渗流特性的影响,表明裂隙越粗糙或开度越小,则临界雷诺数越小,非线性作用将越强。提出了临界雷诺数与水力开度和绝对粗糙度的经验关系式,同时指出该关系式适用于JRC≤10的低粗糙度裂隙。     

水质大涡模拟数学模型研究

建立了基于弱可压缩流基础上的水质大涡模拟数学模型及污染物质扩散系数与平均运动的关系。数值计算采用有限体积法和预测校正法,固壁边界条件采用"部分滑移条件"。并应用该模型对重庆嘉陵江、长江两江交汇段的流场,污染物质浓度分布进行了计算,计算结果与实测值比较吻合。研究表明,横向扩散与流动状态有关,当支流流量相对较小时,横向扩散较弱,形成岸边污染带,当支流流量相对较大时,横向扩散较强,污染带向江心移动。     

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.     

含植物河道水动力学研究进展

提出了基于河道管理、河流修复与水资源可持续发展的含植物明渠水动力学研究理念,强调了含植物明渠水动力学研究的重要意义.从含植物水流的时均阻力特性、紊流机理的物理模型试验研究及数值模拟计算研究等几方面,深入介绍了国内外关于含植物明渠水动力学研究进展.指出:必须进一步解决对柔性植物枝叶形状及柔韧度的相似模拟;建立柔性植物的刚度、水流特性及阻力特性之间的定量规律;进一步研究含植物水流各向异性的紊流特性;发展更为精细的大涡数值模型来研究水深较大的复杂的各向异性紊流等有待于深入探讨的问题.     

Reynolds控制方程下粗糙节理渗流空腔模型研究

在研究节理的渗流时,渗流控制方程对节理渗流分析结果具有显著影响。首先介绍了节理渗流分析中的控制方程：Navier-Stokes方程、Stokes方程、Reynolds方程和立定定理,并分析了各控制方程在节理渗流分析中的适用性。以Reynolds方程作为渗流分析控制方程,建立了粗糙节理渗流空腔模型。然后以节理试件为研究对象,在实测节理三维表面形貌并计算隙宽分布后,分别进行相同渗流边界条件下的室内渗流试验和空腔模型计算,得到节理在不同接触状态下的渗流量实测值和计算值,并分别将计算结果与立方定理下的空腔模型、将整个节理简化为光滑平行板模型的立方定理以及速宝玉经验公式的计算结果进行比较,结果表明,Reynolds方程下的节理渗流空腔模型计算结果与实测值最为吻合,可以较为准确地反映节理的渗流情况。同时,根据Reynolds方程下空腔模型得到的渗流流量分布可以呈现节理渗流的曲折现象,为从本质上研究节理渗流特性奠定了理论基础。     

河道复杂采砂坑附近流场的数值模拟

数值模拟研究紊流问题的关键是充分考虑雷诺应力的差异,应用各向异性三维代数应力紊流数学模型(ASM)模拟研究了天然河道的次生流问题。以方形管道为算例与试验的比较表明,所应用的ASM模型精度较高;将ASM与非结构网格有机结合模拟分析河道复杂采砂坑,计算成果与前人结果类比,令人满意。ASM模型为研究河床稳定与变形提供了有力工具。分析表明,采砂坑使原稳定的水流形态发生变化,沿主流方向形成纵向涡旋导致采砂坑上游缘口冲刷,坑内的横向次生流则造成横向侵蚀;紊动特性研究表明采砂坑严重影响河床稳定。     

宽窄相间河道水流紊动特性试验研究

为了探索宽窄相间河道的水流紊动特性,以西南地区宝兴河上游宽窄相间河段为研究对象,基于室内概化模型试验,采用多普勒声学流速仪(ADV)测量了室内模型典型断面上的三维瞬时流速,分析典型断面上的纵向时均流速、紊动强度、雷诺切应力和紊动能的分布规律。试验结果显示:宽窄相间水槽中,扩散段边壁的紊动强度大于中心区域的紊动强度,最大值位于0.2倍水深处;扩散段两侧坡脚处紊动能最大;侧壁区的平面和立面雷诺切应力最大值出现在扩散段内,中心区域最大雷诺切应力位于两槽间的中间断面处;扩散段内水流紊乱,两侧出现旋涡和涡脱,易造成侧壁侵蚀加强,引起河道拓宽。深入分析了宽窄相间河道水流的紊动特性,可为山区河流治理和自然灾害防治提供参考。     

宽窄相间河道水流紊动特性试验研究

为了探索宽窄相间河道的水流紊动特性，以西南地区宝兴河上游宽窄相间河段为研究对象，基于室内概化模型试验，采用多普勒声学流速仪（ADV）测量了室内模型典型断面上的三维瞬时流速，分析典型断面上的纵向时均流速、紊动强度、雷诺切应力和紊动能的分布规律。试验结果显示：宽窄相间水槽中，扩散段边壁的紊动强度大于中心区域的紊动强度，最大值位于0.2倍水深处；扩散段两侧坡脚处紊动能最大；侧壁区的平面和立面雷诺切应力最大值出现在扩散段内，中心区域最大雷诺切应力位于两槽间的中间断面处；扩散段内水流紊乱，两侧出现旋涡和涡脱，易造成侧壁侵蚀加强，引起河道拓宽。深入分析了宽窄相间河道水流的紊动特性，可为山区河流治理和自然灾害防治提供参考。     

横向振动格栅紊流紊动特性试验

建立了一套大尺度格栅紊流试验系统,格栅进行有别于传统垂向模式的横向振动,采用粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)测量流速。对瞬时流速的检验表明,该系统产生的紊流场具有较强的随机性和统计规律性。均方根流速在格栅片附近变化较大,在两片格栅中间处趋于稳定,纵向均方根流速明显大于垂向均方根流速,二者比值在1.5~2.0之间,接近天然明渠紊流。雷诺应力在距格栅越近处波动越大,随着距格栅距离的增加而减小,至两片格栅中间处雷诺应力基本为0。时间和长度积分尺度在格栅片处最小,随着距格栅距离的增加而线性增加,至两片格栅中间处达到最大值。流速能谱呈现Kolmogorov理论的-5/3次方规律。本系统生成的紊流场的统计规律与传统的垂向振动格栅紊流较为一致,但纵向和垂向的紊动强度更接近实际,为后续紊流中泥沙和污染物等运动机理的研究奠定了基础。     

斜坡上异重流的三维数值模拟

针对异重流的流动特征,建立了适用于具有各向异性浮力紊动特征的三维异重流运动的数学模型,并模拟了异重流在15°斜坡底面上的潜行过程。计算结果准确地模拟了异重流的运动特征和形态,其前锋的潜行速度与实验结果相当吻合。该模型采用非结构同位网格上的SIMPLEC算法能适应复杂边界和地形,可应用于自然界实际环境中异重流的演进计算。