耦合VOF的非线性k-ε模型三维溃坝数值模拟

溃坝是一种伴随有巨大破坏力的灾害性的水流现象。三维溃坝的数值模拟能够为溃坝水流的研究分析提供科学的依据。针对瞬间全溃模型水流的复杂性,考虑水库下游障碍物的滞水及阻水作用,利用开源程序OpenFOAM建立了耦合VOF对流方程的三维非线性(NL)k-ε紊流数学模型求解雷诺时均纳维斯托克斯方程。采用有限体积法进行离散,利用PISO算法进行数值求解。通过模拟下游为三角形障碍物、矩形障碍物以及90°弯道的溃坝实验,并将模拟结果与实验结果进行对比分析,初步证明了该模型的准确性和鲁棒性。     

渗透破坏诱发土石坝溃坝洪水过程概化计算模型

在土石坝溃口流量计算模型的研究中,缺少从渗透破坏发展至漫顶破坏这一溃坝过程中的溃口流量计算模型研究。本研究从溃口形状和流速的假定出发,通过对溃口流量过程线基本形状的概化求解,建立一个能反映从渗透通道破坏到漫顶破坏这一过程中土石坝溃坝溃口流量变化的概化分析模型,并使用Teton坝渗透破坏溃坝过程验证了该模型的正确性。     

基于动网格的物体下沉运动的二维数值模拟

为精确求解流固耦合问题中物体大幅度运动时的受力情况和运动轨迹,采用基于任意拉格朗日-欧拉方法(Arbitrary Lagrangian Eulerian)的动网格技术,计算水气两相粘性流体中下沉物体的运动规律,并与模型试验的结果进行对照。结果表明,数值模拟所得物体的下沉轨迹和速度与模型试验吻合较好,从而验证了程序的可靠性和精度,可用于实际的溃坝堵口组件运动的数值模拟。     

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。     

墩柱绕流水动力特性实验和大涡模拟研究

利用水槽实验对浅水环境中大直径墩柱绕流的三维水流结构进行研究,基于粒子图像测速技术(PIV)测量了墩柱周围瞬时流速分布;另外基本有限体积法建立不可压缩粘性流体三维运动数学模型,采用Smagorinsky-Lilly亚格子模型,对雷诺数为6 000墩柱绕流湍流结构进行大涡数值模拟(LES)。研究结果表明,数值模拟流速分布整体与实验吻合较好,墩柱绕流结构存在明显的垂向变化,近底约10%水深范围内脱涡结构受到床面抑制,卡门涡街发展不充分。对墩柱绕流三维水动力特性的研究将为墩桩冲刷分析和水流荷载计算提供依据。     

T型墩消力池的数值模拟研究

文中对T型墩消力池建立了三维数值模型,采用了非均匀结构化网格对模型进行了网格划分,利用Realizablek-ε紊流模型和VOF法结合的手段对其三维流场进行了仿真计算,模拟出了不同阻宽率下T型墩消力池内的水流流场,分析计算结果可知,阻宽率越大,雍水效果会越明显,但较大的阻宽率造成水流的雍堵反而会影响消能效果,而且阻宽率较大的T型墩消力池易在T型墩支腿处产生负压。     

溃坝流动的有限元数值模拟

利用有限元(FEM)、大涡模拟(LES)和流体体积法(VOF)对溃坝流动进行了数值计算,并与实验结果进行了对比.结果表明,该方法能够准确模拟出溃坝过程的水流运动情况.由于该数值模型是基于有限元方法,因此对复杂边界具有较强的适应能力;文中对自由表面的模拟采用CLEAR-VOF进行捕捉和重构,使得非结构化网格可以应用到自由表面问题的数值模拟中;同时大涡模拟也被集成到该模型中,这为处理复杂湍流流动问题提供了更为可靠的保证.本文的工作为进一步研究复杂边界条件下带有自由表面的湍流流动问题奠定了基础.     

基于两相流的三维自由面流动模型研究

考虑到复杂界面流的需要,基于三维非稳态的Navier-Stokes方程,采用有限体积法进行数值离散,在构造高分辨率STACS格式的VOF方法的基础上,建立基于气液两相流的三维自由面流动模型,并实现了程序的并行化。应用该模型对旋转流场、三维变形场和溃坝波在湿边界上传播运动等自由面流动问题进行数值模拟,计算结果表明模型模拟复杂自由面的运动具有较高的精度,计算效率高,可为进一步研究波浪对船舶的作用、船行波对航道整治建筑物、岸坡的作用提供基础。     

枢纽船闸引航道口门区三维水流数值模拟应用研究*

基于平面曲线坐标系、垂向σ坐标系建立了三维水流数学模型。采用控制体积法离散基本方程、交错网格以避免压力的振荡、动水压力校正法进行数值求解。分别采用经典急弯河段水槽试验资料、土谷塘物理模型试验资料对模型进行了验证。验证结果表明,模型能较好地反映弯曲河段三维水流结构特征和船闸引航道口门区的通航水流条件,可为枢纽船闸工程的平面布置方案论证提供技术支撑。     

后台阶下游水流泥沙运动模拟研究

利用计算流体力学软件OpenFOAM和离散元软件LIGGGHTS建立的水流-泥沙运动耦合模型对后台阶下游三维水流流动及泥沙的起动和输运进行了数值模拟。结果表明,动态一方程紊流模型能较好模拟台阶下游时均流场、紊动强度以及雷诺应力的分布,通过耦合模型计算得到的台阶下游泥沙起动概率以及床面输沙率分布与实验结果符合较好。计算结果揭示在台阶下游复杂水流条件下,紊流结构及涡旋运动对泥沙起动有重要作用,而时均流动对床面输沙起关键作用。     

基于流凌演进数值模拟的可视化方法

针对流凌演进三维可视化技术在冰冻河流可视化仿真方面不足的问题，结合MIKE21与ArcGIS软件，提出一种基于流凌演进数值模拟结果的可视化方法。通过模型构建、网格划分、边界条件确定，开展流凌演进数值模拟与分析，建立面向可视化的流凌演进数值模拟结果提取方法，实现流凌演进三维可视化仿真场景与数值模拟的可视化数据融合。基于空间数据库与属性数据库，建立的流凌演进仿真模拟系统，可全方位展示流凌演进过程中地形、水流、堤防结构物等仿真模拟结果。     

3D打印技术船舶三维建模设计

受到船舶结构数据测量与转换误差的影响,导致船舶三维模型存在完整性低、建模周期长的问题,为此利用3D打印技术建立船舶三维模型。首先测量船体结构的三维数据,并根据测量结果划分船舶结构。参数化计算组成船舶组件,利用3D打印技术生成船舶组件模型,并降低船舶结构模型误差。按照船舶组成结构连接各个组件,得出船舶三维建模结果。通过与传统建模方法的对比,设计方法得出三维模型的完整度提高了19.72,且建模周期有所缩短。     

船坞竖井闸阀输水廊道水力特性的数值模拟研究

近年来,竖井闸阀输水廊道已广泛应用于新建大型修造船坞中。结合某竖井闸阀输水廊道的模型试验,运用FLUENT软件对廊道的水力特性进行三维数值模拟,研究廊道中水流的流速、压强、湍流动能和湍流耗散率等参数的分布规律和输水廊道的安全性。通过对消能段湍流参数的分析发现,在进水井中水流形成的漩涡和水流与壁面的撞击是消耗水流动能主因。不同水位条件下廊道内水流压力的数值模拟结果与模型试验结果吻合性较好,进一步验证了数值模拟计算的可靠性和采用数值模拟方法辅助优化输水廊道设计的可行性。     

明渠弯道水流三维数值模拟*

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k-ω涡黏紊流模型求解,结合VOF方法跟踪自由水面,运用Fluent软件模拟了明渠180°弯道水流的三维特性。通过将数值模拟的水位结果与试验资料进行比较,表明数值模拟能够有效地预测弯道水面高度的变化范围以及水面横比降的主要影响范围;同时分析了弯道水流不同水深的平面流场和典型断面弯道环流分布。     

Numerical Simulation Study on Hydraulic Characteristics of Dock's Filling Gallery with Shaft Gate-valve

近年来,竖井闸阀输水廊道已广泛应用于新建大型修造船坞中.结合某竖井闸阀输水廊道的模型试验,运用FLUENT软件对廊道的水力特性进行三维数值模拟,研究廊道中水流的流速、压强、湍流动能和湍流耗散率等参数的分布规律和输水廊道的安全性.通过对消能段湍流参数的分析发现,在进水井中水流形成的漩涡和水流与壁面的撞击是消耗水流动能主因.不同水位条件下廊道内水流压力的数值模拟结果与模型试验结果吻合性较好,进一步验证了数值模拟计算的可靠性和采用数值模拟方法辅助优化输水廊道设计的可行性.     

基于镜像SPH的三维容器液体晃荡研究

基于SPH方法对液体在三维矩形容器中的非线性晃荡问题进行了数值模拟研究。采用镜像粒子边界建立三维模型,成功解决传统SPH方法在容器壁产生缝隙的问题。对横荡和横摇两种容器运动形式进行数值模拟,在液面时间历程、不同时刻液体形态、点压强以及液体晃荡作用力等方面与其他学者的实验研究结果和数值计算结果进行对比验证,表明此三维模型的正确性。     

东江潮沙洲浅滩整治方案的数值模型研究

本文基于水流运动方程建立了贴体正交曲线坐标下二维河道水流数值模型,模型模拟结果和实测资料吻合较好,文中利用模型对各方案进行研究,提出了该浅滩整治的推荐方案.     

东江湖沙洲浅滩整治方案的数值模型研究

本文基于水流运动方程建立了贴体正交曲线坐标下二维河道水流数值模型，模型模拟结果和实测资料合较好，文中利用模型对各方案进行研究，提出了该浅滩整治的推荐方案。     

江海直达船船首入水砰击研究

基于有限体积法的数值仿真方法对3种不同江海直达船船首的入水砰击问题进行了研究。建立包含气、水流场的三维有限元模型,研究了在自由液面的变化、空气层的作用下、不同垂向速度时3种船首入水砰击问题。结果表明,数值计算仿真的方法可以有效地模拟江海直达船船首入水过程中自由液面和空气层的变化情况。在此方法下,相同速度时西瓜首的砰击峰值优于其他船首形式。     

船舶有航速辐射问题的新实用数值方法

为解决船舶在波浪中以恒定速度运动的辐射问题,基于势流理论,采用三维瞬时自由面格林函数方法对船舶水动力问题进行求解。提出三维瞬时自由面格林函数波动项的新数值计算方法,并在大时间区域内基于精细积分法对三维瞬时自由面格林函数的波动项进行插值调用,最终提高波动时域格林函数的数值计算精度。对Wigley船型的水动力系数进行数值计算,并将附加质量和阻尼系数的数值计算结果与试验结果和参考文献进行对比,验证新数值计算方法的有效性。