弯道水流的三维数值模拟

本文提出一种弯道水流的三维数学模型,该模型以N—S方程为基础,对弯曲段采用园柱坐标形式的方程,方程中的压力项采用静压假定作近似处理,紊动粘胜系数利用Prandu混合长紊流模型来确定。本模型能较好地再现实际流场的主要特征,具有一定的可信度。     

等宽明渠交汇口平面二维水流数值模拟*

采用雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程组,其中动量方程的雷诺应力项用雷诺应力（RAM）模型求解,运用Fluent软件模拟了90°等宽明渠交汇口6种流量比的二维水流运动。通过将数值模拟的分离区尺寸与试验资料进行比较,发现用RAM模型模拟在小流量比流动精度较高,建议采用采用混合湍流模型：当流量比小于0.583取RAM模型计算值,否则取H-L模型计算,并绘制了分离区长度、宽度与流量比关系图。     

连续弯道内水流运动的特点

利用数学模型,采用带旋流修正的紊流模型,同时借助VOF方法描述自由表面,对6个连续反向弯道中的水流运动特点进行了数值计算,分析了连续弯道中的主流线分布,不同来流情况下的纵向水面流速变化以及横向环流在连续弯道中的发展过程.结果表明,在连续弯道中,高流速区均出现在弯顶前凸岸一侧;连续弯道两个反向弯段的横向环流也是反向的,下一个弯段的环流发展受到上一个弯段环流明显的抑制作用;随着上游来流量的增大,弯道中最大纵向流速的位置由弯顶前凸岸处向弯顶下移,顶冲点下移,纵向流速沿弯道宽度方向的分布趋于均匀,水流"走直"的趋势明显.     

水流数值模拟中的混合编程技术

FORTRAN语言计算效率高但图形功能弱,Visual Basic(VB)计算效率低而图形功能强。为了发挥两者的优势,实现FORTRAN资源的再利用,以VB6.0和FORTRAN95为开发平台,通过动态链接库(DLL),探讨和演示了VB和FORTRAN混合编程技术在水流数值计算中的应用,实现了VB可视化界面与FORTRAN强大的数值计算能力的相结合。并探讨VB调用Surfer 8.0进行嵌入式编程,对水流数值模拟的结果进行了图形化处理和动态的显示。     

三维复杂群桩水流力特性数值模拟研究

本文利用ANSYS Fluent,通过建立的三维水动力数值模型研究了矩型圆柱群桩在不同桩距条件下的水流纵向水流力、横向水流力及总水流力分布规律。同时,对目前实际工程中常用的菱型、圆型及哑铃型圆柱群桩在不同桩距下的纵向水流力、横向水流力及总水流力进行了研究。     

非恒定流条件下明渠汇流口水动力特性三维数值模拟研究*

河流交汇口水流具有复杂的三维特性,受上游电站日调节的影响,交汇口水流条件较一般河道更为复杂,由此对河口船舶通航产生影响。针对电站日调节影响下河流交汇口通航水流条件问题,采用数值模拟分析方法系统研究明渠交汇口在非恒定流条件下水动力特性的变化特征。研究基于通航水力指标,探究非恒定流周期、流量变幅、干支流交汇角以及支流流量对交汇口区域纵向水面线、水位变幅、水面比降、流速大小以及流场分布的影响。研究发现：交汇口上下游水位差会随非恒定流周期增大而减小,随支流流量的增大而增大;水位变幅随交汇角度增大而减小,随流量变幅的增大而增大,交汇口比降随流量变幅、交汇角度、支流流量的增大而增大,同时月牙形高速水流区域面积在涨水阶段和退水阶段受各种影响因素的影响不同。研究揭示了非恒定流条件下河流交汇口的水动力学过程,可为干支流交汇区非恒定流传播规律及其对通航水流条件影响的研究提供科学依据。     

赣江尾闾南支枢纽通航水流条件数值模拟研究*

拦河枢纽的施工和运营将显著改变河道的水流条件,对通航产生潜在的影响,因此有必要对枢纽工程不同时期的通航水流条件进行研究和评价。以赣江南支枢纽工程河段为研究对象,建立南支河段二维水动力数值模型,模拟施工期和运营期的河道水动力过程,分析枢纽工程对航道通航水流条件的影响。结果表明：各时期航道内流态相对平顺,不会对通航产生不利影响,在大部分流量工况下水流条件均满足通航要求;仅在施工一期10 a一遇工况下,临时航道有部分区域流速超过赣江航道通航流速控制指标（2.00 m/s）,长度约为2 000 m,流速最大值为2.54 m/s;在施工二期、运营期,河段航道内水流条件均满足通航要求。研究结果可为赣江南支枢纽通航安全和运行调度提供参考。     

航道整治工程水流泥沙数值模拟

泥沙冲淤变化是航道整治工程的主要原因,泥沙的沉降、扩散、起动与交换都与水流的作用密切相关。本文采用有限元法建立的二维水流泥沙控制方程,对航道整治工程中水动力和冲淤、河床变形进行了模拟,取得了较好的效果。     

强弯渠道三维水流数值模拟

文章采用半隐有限体积方法建立求解渠道三维流动的数值模型,分别采用标准κ-ε和低雷诺数κ-w紊流封闭模型模拟定床条件下193°强弯渠道的流动特性。变量交错定义在水平非结构网格上,通过求解自由水位控制方程计算自由表面。计算值与试验测量值的对比,表明模型可用来模拟强弯渠道的三维流动,尤其对于渠道横向二次流运动,为进一步研究弯曲渠道的动床水力特性创造有力条件。     

心滩守护工程影响航道水流特性的数值模拟*

心滩是位于河心的浅滩,一般位于放宽河道内,会随水位涨落及水沙条件变化而十分不稳定,往往给航道条件带来十分不利的影响。为了改善航道条件,需要通过航道整治工程来稳定心滩,如软体排护滩工程、鱼骨坝护滩工程等。运用基于非结构三角形网格的平面二维水流数学模型对不同类型的心滩守护工程进行了研究。研究表明,建立的数学模型能够较好地模拟心滩周边的水流特性,较好地揭示了心滩守护工程对航道水流的影响特点,这对长江中下游航道涉及心滩的浅滩河段航道治理中具有一定的指导意义。     

海洋污损对螺旋桨叶切面性能影响的数值模拟

通常情况下,舰艇螺旋桨桨叶表面为抛光金属材质,没有涂装防污涂层,使得桨叶易受到海洋污损生物的附着和侵蚀,然而污损对螺旋桨性能的影响研究较少。采用CFD方法对污损螺旋桨叶切面流场分布进行数值模拟,在污损生物群落中选取藤壶作为污损对象,并在几何层面上进行直接建模。计算结果表明,污损使得叶切面边界层分离更早、分离区域更大,进而使得叶切面升阻比显著降低(最大降低了近90%),从而导致螺旋桨推进效率大幅降低;当藤壶高度超过一定阈值后,藤壶的继续生长对叶切面升阻力的影响变得较小。     

不同湍流模型下圆柱涡激振动的计算比较

为应用计算流体力学的方法模拟圆柱体的涡激振动问题,文章采用有限体积法结合两种不同的湍流模型（RNG k-ε和SST k-ω湍流模型）求解时间平均的纳维尔-斯托克斯方程（RANS）,对低质量比弹性支撑的刚性圆柱体在均匀来流中的的涡激振动问题进行了研究。计算对象参照Govardhan和Williamson的物理模型实验中的参数,通过比较两种湍流模型下圆柱体的振幅响应、频率响应及三个响应分支的水动力系数和尾涡模式,分析了两种湍流模型模拟结果的差异及原因,结果表明：RNG k-ε湍流模型和SST k-ω湍流模型的模拟结果差异很大,不论在振幅响应和频率响应上的计算上,还是对升力的谱分析上,SST k-ω模型的计算结果都更接近于真实的物理现象,并且采用SST k-ω湍流模型成功地模拟出了2P模式。因此从整体上说,SST k-ω湍流模型的模拟效果要优于RNG k-ε湍流模型。     

基于SST k-ω湍流模型的二维圆柱涡激振动数值仿真计算

随着海洋工程逐渐向深海发展,广泛使用的柔性立管因为高频振动很容易受到严重的损伤。因此对于这类细长柔性结构的涡激振动(VIV)研究是当今的一个热点,同时随着计算机的快速发展,CFD(计算流体力学)技术成为研究涡激振动问题不可或缺的一种方法。本文采用雷诺平均纳维尔-斯托克斯(RANS)方程,并结合SST k-ω湍流模型,研究低质量比弹性支撑刚性圆柱体的涡激振动问题。从振幅响应、频率响应、3个响应分支的水动力性能、尾涡模式等方面和Williamson相关实验作对比。结果表明,SST k-ω湍流模型能够有效准确地模拟圆柱绕流的涡激振动。本文丰富了海洋工程的理论研究,为柔性立管的实际应用提供了一定的理论指导。     

基于修正RNG k-ε模型的叶片泵非设计工况数值模拟

对于非设计工况下流体机械的流场计算,由于其偏离设计工况,分离流动严重等特点,使得用普通的湍流模型数值模拟精度不高。本文采用一种将涡粘性系数Cμ与湍流脉动动能和湍流耗散率的变化相关联的方法,对RNG k-ε湍流模型进行修正。为验证其对非设计工况下叶片泵的预测精度,分别采用修正模型和原始RNG模型,数值模拟了一比转速为439的叶片泵的内部流场,得到了其扬程、效率曲线及在典型工况下的内部流场流线分布。通过比较改进前后RNG湍流模型的数值计算结果,并与实验结果对比,得出修正RNG模型更能准确预测出非设计工况下叶片泵的流场特性。     

基于GEKO湍流模型的JBC流场数值模拟

[目的]两方程模型是RANS工程计算中常用的湍流模型,其中SST k-ω湍流模型具有良好的壁面距离自适应性和逆压梯度流预报能力。然而,湍流模型构造过程中引入的经验性参数使得湍流模型不具普适性,为此,研究采用引入流动控制参数的方法提高湍流模型对船舶流场的适用性。[方法]在经典SST k-ω湍流模型的基础上,GEKO(Generalized k-ω)湍流模型通过引入流动分离参数C_S和旋转修正参数C_RC分别控制流动分离强度和流动旋转效应,以提高湍流模型对各类流动的适应性。针对JBC船型,采用SURF程序对其流场进行数值模拟并与试验结果进行对比,以考察不同设置下新参数对船体阻力、伴流场和压力分布的影响。[结果]计算结果表明,与经典SST k-ω湍流模型相比,GEKO湍流模型中C_S和C_RC的设置会影响到JBC船型的阻力预报及伴流场预报。[结论]湍流模型的参数化修正具有提高湍流模型适应性和精确度的潜力,对湍流模型工程应用改进具有参考价值。     

芜申运河三里埂段航道整治数学模型研究

在对芜申运河三里埂汇流段的水文资料测量和收集的基础上,找出对于三里埂航道不利的水文条件,利用Mike21水动力模块建立水动力模型,对三里埂汇流段二维流场进行计算。计算结果表明:在设计航道地形条件下,高水位大流量时,设计航道内存在较大的横向流速,深坑处的流速和弯道环流仍然很大,将继续促进深坑的发展。模型通过对各种方案的比选和优化,提出了优化方案。     

DTMB5415驱逐舰绕流的数值模拟

本文采用RANS方程及RNG湍流模型数值模拟了带方尾及声纳罩的5415驱逐舰绕流,计算结果表明对复杂的实际船形,CFD能有效地预报船体周围流场、波形和阻力等船舶设计感兴趣的水动力性能参数,为船形分析及优化提供了有力的工具。     

螺旋桨空化仿真相关模型比较研究

旨在研究空化模型对实尺度螺旋桨空化模拟结果的影响。运用伯努利方程预测螺旋桨空化发生时的转速,通过实船试验观察螺旋桨空化状况;采用CFD数值仿真螺旋桨空化状态,确定仿真中边界层网格厚度并在建立水动力模型后生成网格;模拟时的湍流模型分别选择标准$k - varepsilon$模型和Realizable $k - varepsilon$模型,空化模型分别选择Schnerr–Sauer（S–S）和Zwart–Gerber–Belamri（ZGB）模型;追踪记录螺旋桨表面最大气体体积分数并观察其气体分布情况,将数值仿真结果与试验结果对比,比较两种空化模型的模拟精度。结果表明,相较于标准$k - varepsilon$湍流模型,使用Realizable $k- varepsilon$模型的空化区域明显与试验结果更为贴合。对螺旋桨表面最大气体体积分数进行监测,发现湍流模型的选择对空化剧烈程度的影响不大,而使用S–S模型的结果明显高于ZGB模型。研究表明,湍流模型对空化区域面积有较大影响,空化模型对空化的剧烈程度有较大影响,对螺旋桨空化仿真而言,Realizable $k - varepsilon $湍流模型的模拟精度高于标准$k - varepsilon $模型。     

基于CFD的前置导叶轴流泵通用特性曲线预报

通过求解由RNG k-ε二方程湍流模型封闭的相对定常雷诺时均方程,对初始设计的前置导叶轴流泵进行全三维数值模拟,得到通用特性曲线。分析设计工况点是否在最佳效率处,设计点是否成功。捕捉前置导叶轴流泵内流场,观察导叶预旋是否到位,尾流场是否有旋流。所得的结果对初始设计的前置导叶轴流泵的改进和优化具有十分重要的意义。