沿河公路丁坝群水毁防护平面二维水流数值模拟研究

从平面二维水动力学方程组出发,根据有限元Galerkin加权余量法离散模型方程组,并利用Newton-Raphson迭代法求解,建立丁坝绕流平面二维水流数学模型。利用水槽试验数据对模型进行了验证,模型计算结果与实测值吻合良好。将模型应用到河龙高速清溪河段水毁防护工程,对丁坝群护岸进行了模拟分析,结果表明,该模型在丁坝群护岸工程的水流模拟中具有推广价值。     

熵格子Boltzmann方法的亚格子尺度模型

熵格子Boltzmann方法对格子Boltzmann方法的改进使其具有稳定模拟高雷诺数湍流的潜力。尝试将大涡模拟的重整化群亚格子尺度湍流模型引入到熵格子Boltzmann方法中。同时建立基于熵格子Boltzmann方法的大涡模拟重整化群亚格子尺度模型及大涡模拟标准Smagorinsky亚格子尺度模型,进行高雷诺数湍流圆柱绕流场的模拟计算。结果表明:所建立的熵格子Boltzmann方法重整化群亚格子尺度模型能够有效模拟高雷诺数湍流流动,其对高雷诺数湍流的模拟计算结果略优于熵格子Boltzmann方法的大涡模拟标准Smagorinsky亚格子尺度模型。     

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。     

均质透水丁坝二维水流模拟研究

透水丁坝具有一定的透水率,其坝头水流分离程度、坝头局部冲深相比于实体丁坝要小,此外坝体的孔隙为鱼类和其余水生生物提供了栖息环境,对环境保护起到积极作用。为模拟均质透水丁坝平面二维水流运动,文章基于正交曲线贴体坐标系下平面二维水流数学模型,引入通度系数的概念考虑丁坝的透水率,并对考虑通度系数后的方程进行离散和求解。采用已有的水槽试验资料,进行了初步验证,模拟透水丁坝作用后的流场和水位场,结果表明计算和实测符合较好。     

孔腔脉动压力及其波数—频率谱的大涡模拟研究

孔腔流动中包含着流动分离和失稳以及涡旋相互干扰等复杂的流动现象。孔腔涡旋流动引起的流体振荡能够引起脉动压力的显著增加从而产生强烈的噪声,在工程实际中备受关注。湍流脉动压力是流激噪声的重要来源,也是湍流研究中的基础性问题,对其进行数值计算研究是流声耦合领域的重要内容,而湍流脉动压力波数—频率谱的构建更是该领域的技术难点。文章采用大涡模拟方法(LES)对孔腔脉动压力进行了数值模拟,考察了四套网格和四种亚格子应力模型对计算结果的影响,并与试验结果进行比较,验证数值计算方法的可靠性。首先采用大涡模拟方法计算了孔腔的脉动压力,并与中国船舶科学研究中心的空泡水筒试验结果进行对比分析。接着详细地分析孔腔脉动压力,研究亚格子应力模型和网格数量对计算结果的影响。最后,对数值计算得到的脉动压力多元阵列结果进行时间/空间Fourier变换,构建了三维脉动压力波数-频率谱。该文工作对今后流激结构振动噪声的预报和流动控制研究奠定了基础。     

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。     

分离涡模拟在亚临界区风场圆柱绕流中的适用性研究

圆柱绕流问题一直是流体力学领域热门的研究对象,本文基于ANSYS Fluent软件,采用分离涡模拟(DES)的湍流模型,以连续性方程和N-S方程为控制方程,对亚临界区流动状态风场下的圆柱绕流问题进行了数值模拟。主要分析了圆柱阻力系数,Strouhal数,圆柱后绕流速度分布及涡量大小。计算结果表明DES湍流模型可有效描述流场的三维特性,与之前的实验和模拟结果吻合,验证了DES模型在亚临界区用于风场绕流问题的有效性。DES模型较于大涡模拟和雷诺平均法在计算效率和准确性上有一定优势。     

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。     

波浪爬高的PSPH方法数值模拟研究

通过Poisson方程迭代求解压力场的SPH方法,建立了模拟水波动力学问题的数值模型,将亚格子湍流模式加入方程中,更加精确地描述了波浪破碎时的湍流特性。针对SPH方法中粒子靠近边界处由于粒子缺失导致核函数的截断而引起计算误差,将核函数梯度修正引入了数值计算模型中。同时提出一种新的边界压力计算方法,改善了边界压力计算的精度。对孤立波及椭余波在斜坡上的爬坡破碎过程进行了数值模拟,数值结果与实验结果吻合较好。表明该方法在对复杂水波动力问题的数值模拟上是行之有效的。     

船舶螺旋桨机翼型桨叶周围粘性绕流的研究

此研究从N-S基本方程出发,采用亚格子尺度模型,运用大涡模拟方法,通过数值计算研究了船舶螺旋桨机翼型桨叶在低马赫数下的粘性绕流情况,其中包括创建模型、网格划分等,获得了速度场、压力场和涡量场等图像,对减小船舶阻力、降低振动噪声和提高船舶螺旋桨的设计水平具有十分积极的现实意义。     

丁坝及淹没丁坝冲刷公式研究

针对整治建筑物冲刷问题,依托长江南京以下12.5 m深水航道治理一期工程,研究探讨了普遍冲刷和淹没丁坝冲刷的冲刷规律、主要影响因素、冲刷机理。基于河流动力学基础理论,分别推导了基于起动流速、起动切应力的冲刷深度半经验半理论公式,经非淹没丁坝冲刷实例和淹没丁坝冲刷数模成果验证和率定,效果良好,适用于非淹没丁坝和淹没丁坝冲刷深度计算,从冲刷计算原理看,同样适用于顺坝及护岸冲刷深度计算。对其中有关冲刷深度半经验半理论公式的主要研究成果进行了系统总结。     

挑流石梁作用下丁坝坝根周围流速分布规律

通过概化模型试验对挑流石梁作用下的丁坝坝根周围流速进行测量,并对不同工况下坝根周围的流速值进行分析,得出坝根处流速随来流量及水深变化的分布规律。结果表明:受挑流石梁的影响,坝根附近的流速比正常河段大很多,且坝根附近的横、纵断面流速值随来流量的增大而增大,随水深的增加而逐渐减小。     

深水航道整治中新型结构淹没丁坝与水流相互作用

大型混凝土齿形丁坝首次应用于深水航道整治工程中,其与水流相互作用的影响并不清晰。通过理论分析与数值模拟的方法对新型丁坝的壅水特性进行研究,并通过与其它坝型结构对比分析了新型丁坝对过坝水流的影响,进而通过阻挡流量的表征方法对新型丁坝的水流力计算方法进行探讨。研究发现新型丁坝壅水公式能够较为合理地预测其壅水值,且由于基床的存在,新型丁坝对过坝水流的影响较小,同时,通过阻挡流量表征的水流力计算公式形式更为简便。新型丁坝的引入对长江沿岸水沙及生态平衡起到保护作用,其研究成果可为新型丁坝的设计及应用提供科学的理论指导,也对其他新型结构设计具有借鉴价值。     

丁坝附近水流动能分布研究

通过水槽试验，结合理论分析，研究丁坝附近的水流紊动。绘出了脉动动能分布的等值线图，把脉动动能的分布图分成4个区域，详细阐述了脉动动能的分布规律。进一步研究了坝长、流量及水深对丁坝附近水流脉动动能分布的影响，并分析其原因，深入探讨丁坝附近的水流紊动。     

Application of large eddy simulation in the performance study of wave blocker

The configuration and aerodynamic performance of the inlet system are important aspects in the process of installing a gas turbine on a naval vessel. Under the requirements, large eddy simulation （LES） is used to simulate the three-dimensional fluid flow in the wave blocker of a marine inlet filter. The Smagorinsky-Lilly sub-grid model was used to model motions of small-scale structures. During numerical simulation, the SIMPLE algorithm was applied. The central-differencing spatial discretization scheme and the second order accuracy finite difference for the temporal discretization were used. Simulation gives satisfactory distribution of the vorticity fields and turbulent kinetic energy. Compared with the k-ε turbulent model, the results of LES are better for the distribution of parameters. The results of experimental study in a small-scale wind tunnel indicate that numerical calculation has higher accuracy. Therefore, the methods used are worthy of reference and introduction for the design of an inlet system.     

Large eddy simulations for quasi-2D turbulence in shallow flows: A comparison between different subgrid scale models

In this study, the performance of the horizontal large eddy simulation module, developed at the University of Leuven (HLES-KULeuven module) is assessed. A comparison between different subgrid scale models has been carried out. The study is concerned with the non-rotating and unstratified flows. The results of the simulation for an oscillatory backward facing (BFS) flow are presented in case of an expanding flume based on a one-length scale approach and a two-length scale approach. Three subgrid scale (SGS) models have been tested: Smagorinsky SGS model (Smagorinsky, J., (1963). General circulation experiments with the primitive equations, I. the basic experiments. Monthly Weather Review, 91(3), 99–164), Uittenbogaard SGS model (Uittenbogaard, R.E., and van Vossen, B., (2004). Subgrid-scale model for quasi-2D turbulence in shallow water. Shallow Flows. Jirka and Uijttewaal (Eds.), Taylor & Francis Group, London, ISBN 90 5809 700 5) and a proposed two-length scale approach. The first two models are considered to be a one-length scale models. A simulation without a subgrid scale model for the horizontal mixing has also been conducted. In all simulations, a quadratic friction model parameterizes the dissipation produced by the 3D-subdepth scale turbulence. The two-length scale concept uses a newly mixing length formulation for the quasi-2D turbulence and doesn't depend on the filter width in contrast to the one-length scale approach, in which the mixing length is function of the filter width. The outputs of the HLES-KULeuven module have been compared with the experimental data taken from Stelling, G.S., and Wang, L.X., (1984). Experiments and computations on separating flow in an expanding flume. Dept. Civil Engineering, Delft University of Technology, Report 2–84.). The two-length scale approach has been validated with experimental data from SERC Flood Channel Facility at HR Wallingford. In general, there is a qualitative agreement with the experimental data. It has also been found that the two-length scale approach produces more elongated and less isotropic vortex than the one-length scale models.     

丁坝紊动特性试验研究

利用三维超声学多普勒流速仪对丁坝坝头附近水流和回流区水流的紊动特性进行了系统的观测和分析,得到了丁坝坝头和回流区的水流特性及紊动动能的分布规律。     

透水丁坝坝后回流区长度研究

基于沿水深方向积分的平面二维水流运动方程组,在采用合理的假定条件下,推导出透水丁坝坝后回流区长度计算公式,研究结果表明,透水丁坝坝后回流区长度不仅与坝长、水深、糙率、面积缩窄比、河宽缩窄比等因素有关,而且与丁坝本身的渗流量有关。     

Numerical investigation of turbulence near a sheared air–water interface. Part 1: Turbulence statistics beneath a flat water surface sheared by wind

Direct numerical simulation (DNS) and large eddy simulation (LES) of turbulent shear flow beneath a flat water surface with imposed wind shear stress are presented. The results of DNS indicate that there are clear differences, and also similarities, between wind-driven flow and the flow near a solid wall. The qualitative structures of turbulence are similar in both types of flow. Low-speed streaks are also present in wind-driven flow. On the other hand, profiles of the mean velocity and turbulence intensities in wind-driven flow are significantly different from those in flow near a solid wall. The differences are attributed to the lack of a viscous sublayer, and to the boundary condition which allows fluctuations of the tangential velocity components at the boundary. LES of the same flow was also carried out to evaluate subgrid-scale models. It was shown that the features of the flow observed in DNS are well simulated by all models tested, and that the discrepancies between DNS and LES with the dynamic mixed model are very small. Received: August 17, 2000 / Accepted: December 22, 2000     

澜沧江丁坝坝头冲深的试验研究*

以澜沧江曼厅段的河道特性为典型,建立了山区河道丁坝坝头冲刷坑深度的概化模型试验。在进行长历时丁坝清水平衡冲刷试验的基础上,分析了坝头冲深的影响因素;通过量纲分析和多元回归的方法,建立了以流速v为主要参数的冲深计算公式,并与各家公式进行比较,表明该公式较为合理。采用天然河道丁坝冲深资料对公式进行了验证,计算值与实测值基本符合。研究为确定山区河道丁坝基础埋深提供了参考,也为将来治理同类型河道积累了经验。