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。     

复式断面明渠湍流的统计特征和拟序结构

应用直接数值模拟(DNS)方法,研究了复式断面明渠湍流的一阶和二阶统计特征,分析了湍流拟序结构在复式断面明渠内的分布规律。首先,针对平板边界层湍流问题对数值模拟方法的精度进行了验证;随后,分析了复式断面明渠的主流流速分布、二次环流强度和分布,以及二次环流对主流流速分布的影响,讨论了紊动强度和雷诺剪切应力极值大小和分布特征;最后,再现了复式断面明渠湍流的三维拟序结构,阐述了滩槽结合处典型“发卡”涡结构的特征及其诱发二次环流的机制。     

一种河道紊流三维数值模拟离散格式的应用探讨

通过引用气体动力学中的Osher格式计算控制体交界面通量,建立了一种基于有限体积法的河道紊流三维数学模型。该格式是对准确的非线性黎曼问题的近似解法,具有很好的守恒性、逆风性、单调性和高分辨率捕捉间断的能力,解决了河床变化剧烈处水流计算易发散的难题,在紊流模型的选取上,考虑到紊动能量和紊动尺度在水平方向和垂直方向上的差异,平面上采用大涡模型,垂向上采用k-ε模型。通过桥墩和丁坝局部水流实测资料校核模型模拟局部复杂水流结构的能力,模型计算得到的马蹄涡、回流结构及流速分布与实测基本一致。     

弯曲河道方形桥墩紊流宽度数值模拟

弯曲河道流态复杂,修建桥梁后桥墩对河道流场改变较大,对船舶航行安全非常不利。采用格子Boltzmann方法模拟桥墩三维紊流流场,并结合大涡模拟和运动边界处理方法,分析不同来流、弯曲半径等条件下的方形桥墩三维紊流宽度,由此建立了相对紊流宽度与弗劳德数之间耦合关系。利用上述成果,以四川新西林大桥为例进行验算,并与长江航道规划设计研究院的研究成果比较。结果发现,该方法得出的桥墩紊流宽度略大,但数值趋于合理。     

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。     

三维数值波浪水槽及其数值模拟验证

波浪水槽能够模拟波浪的产生、传播以及与结构物的相互作用,提供直观、可靠的数据支持。随着计算机技术和数值方法的快速发展,三维数值波浪水槽逐渐成为港口工程领域的研究热点。利用数值模拟软件FLUENT生成三维数值波浪水槽,并结合ANSYS-FSI模块建立三维有限元与有限体积元耦合模型,可以精确模拟波浪作用于斜坡堤等结构上的整个过程。为验证数值模型的准确性,以在波浪作用下斜坡堤顶胸墙的稳定性为例,比较数值模型与理论公式的计算结果。结果表明,数值模型与理论公式的计算结果基本一致,此三维数值波浪水槽模型可靠。在实际工程应用中,可以利用此数值波浪水槽进行方案比选,提升工作效率,同时与物理模型试验结合,共同为港口工程的设计、施工提供有力支持。     

三维摆动尾鳍的数值模拟

以开发适用于小型潜器的仿生操纵与推进系统为研究背景,本文以金枪鱼尾鳍为研究对象,建立了三维刚性仿生尾鳍模型,使用大型通用CFD商业软件FLUENT对特定工况下尾鳍作纵摇升沉耦合运动的非定常流场进行了数值计算,给出了尾鳍的水动力系数和尾流区域的流场特征图,初步探讨了三维仿生尾鳍的推进机理。     

船用换热器三维流场数值模拟

采用Pro/E软件对闭式机舱淡水海水换热器的三维建模,利用FLUENT软件对该换热器壳程流体的流动与传热进行了数值模拟计算,分别以壳程总压降、总传热率、速度这三个方面作为综合衡量标准,分析具有不同折流板弦高、折流板数目的几种淡水海水换热器模型的速度场、温度场和压力场。结果表明：随着折流板数目的增加,壳程流体的压降逐渐升高,出口温度逐渐减小;随着缺口高度的增加,壳程流体的压降明显下降,出口温度也明显增加。     

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。     

基于两相紊流模型的航道悬移质泥沙运动数值模拟

从两相流的基本方程出发建立了一个研究悬移质泥沙非平衡输移的数值模型。基本方程中考虑了相间相对运动的影响，水相和颗粒相通过相间作用力进行耦合，雷诺方程毒用后k-ε-A，紊流模型封闭。对模型进行验证后将其应用于航道横断面的悬移质泥沙运动数值模拟。     

kinoshita派生弯道水流三维数值模拟

本文采用雷诺方程和雷诺应力紊流模型相结合建立起弯道的三维数学模型,并结合shukry弯道实验结果对模型进行验证。利用此模型对kinoshita型非对称弯道进行模拟研究。结果表明:非对称型弯道的高流速区比对称型弯道更加辐聚,水流动力轴线更加的不顺滑,主流区在弯顶的顶冲作用更强;对称型弯道的断面环流强度不断衰减,而非对称型弯道则不同;随着偏斜度的增大,断面环流强度在弯道前半段不断减小,后半段则相反。     

回流区水流运动三维数值模拟

建立了三维有限元水流模型,模型中采用了高分辨率计算格式。依此模型计算了突扩引起的回流,获得的掺混区流速分布和回流区固定点水位、流速非恒定过程与实测结果基本一致。     

覆盖层面板堆石坝三维有限元数值模拟

采用非线性有限元分析方法建立了坝体和坝基的三维有限元模型,对深厚覆盖层上面板堆石坝的应力变形的进行仿真模拟。结合具体工程实例,采用Duncan E-B本构模型建立三维有限元分析模型,得到了深覆盖层上面板堆石坝的应力变形规律。研究表明建在深厚覆盖层上的面板堆石坝,坝体的应力分布规律符合一般规律,其值均在应力合理范围之内;由覆盖层基础引起的坝体垂直沉降比较明显,最大沉降大约位于坝体中部。与修建在基岩上的常规面板堆石坝相比,深覆盖层地基上的面板堆石坝的坝体和坝基的垂直沉降、水平位移和大小主应力均有所增大。具有可压缩性的深覆盖层地基在上部坝体的自重作用下将导致坝体的建基面产生一个下凹的变形。     

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。     

天津港大沽口港区三维潮流数值模拟

建立三维潮流数学模型,采用潮位以及分层流速流向实测资料对模型进行验证,对天津港大沽口港区东、北防波堤延伸方案的潮流分布进行模拟研究。结果表明,港区附近表层与0.6h水深处流速大小较为接近,底层流速明显较小,各层的流向较为一致;港区现状口门布置条件下,口门附近流速和横流相对较大;口门东、北防波堤延伸工程实施后,口门航道附近水流流态明显改善,横流流速也进一步减小;从水流条件考虑,该延伸方案是合适的。     

异重流三维非静压数值模拟研究

针对异重流的三维运动特征,应用非静压模式的TELEMAC-3D数值模块对其进行了模拟研究。该模型应用分布有限元法对动量方程和输运方程进行处理,应用该模块对不同尺度的盐度密度流和温度密度流进行了数值模拟验证,结果表明,模拟结果与前人模型结果吻合较好,表明该模块可应用于各种尺度的异重流演进计算。     

三维弹性液舱晃荡数值模拟

文章建立了弹性液舱晃荡的数值计算方法。结构域采用有限元法进行离散,流体域的控制方程则采用有限体积法进行数值离散,结构域和流体域之间通过ALE法实现耦合。文中以31.6万吨VLCC实船的液舱简化模型为研究对象,基于MSC.Dytran对液舱内的晃荡载荷以及与弹性液舱的耦合作用进行了计算。首先将舱壁刚化,晃荡载荷与其它CFD计算结果进行比对,验证了计算方法的可行性及正确性。然后在此方法的基础上,模拟了三维弹性液舱内液体的晃荡,以研究外界激励、装载率等参数变化对晃荡载荷与响应的影响,揭示了弹性液舱内液体的晃荡特性。     

离岸式人工岛内河水体紊流数值模拟与换水研究

以福建某人工岛为例,进行了内河道换水计算研究。为兼顾景观和环境,人工岛内设置内河道,河道两端设闸门。根据外海潮位和内河保证水位等水文条件,进行人工岛内河道换水计算研究。得到开闸时机、换水时间、不同情况下水体交换量和内河道水体流态图,并推荐了合理的换水方案。     

单个透水框架的三维数值模拟研究

透水框架因其具有较好的防冲促淤功能,在航道整治中得到了广泛的应用。主要对单个四面六边体透水框架和双工字型透水框架进行三维水流数值模拟,揭示其防冲促淤机理,并对两者之间的差别进行对比分析。结果表明:透水框架通过改变水流的大小和方向及加速水流能量的消耗来促进泥沙的淤积,相对于四面六边体透水框架,双工字型透水框架具有更好的防冲促淤能力。