Prandtl混合长紊流模型模拟丁坝绕流

<正>1 前言 丁坝绕流的模拟是检验紊流模型成功与否的最好算例.本文利用物理概念明确的Prandtl混合长紊流模型,采用三角元法,成功地模拟了紊动特性较强的丁坝绕流,说明Prandtl混合长紊流模型可以用于包含回流水域的水流计算.2 基本方程及数值计算方法2.1 基本方程 平面二维非恒定水流运动包含二阶紊动项的基本方程:     

丁坝绕流问题的紊流数学模型

本文应用水深平均k-e紊流模型,采用SIMPLEC计算方法,成功地模拟了丁坝绕流问题,并与相应的试验资料作了比较,计算结果表明该方法适用于模拟有回流存在的复杂水流。同时还探讨了模型中主要参数对回流长度的影响,并对其灵敏度作了分析计算,对参数作了修正,使计算所得的回流长度与实测值更吻合。     

气泡动力学数值模型的稳定性研究

基于势流假设,建立气泡动力学数值模型,并开发计算程序.系统地分析了不同模型、不同单元类型的计算精度,以及网格划分、时间步等因素对计算结果的影响,验证了本文数值模型的收敛性,并在计算过程中分析了动能、势能及总能量随时间的变化.为考核文中建立的气泡动力学计算模型的有效性,分别将轴对称模型及三维模型与Rayleigh-Plesset气泡模型的精确解及实验数据、实验照片进行了对比分析,分析表明,计算结果与Rayleigh-Plesset模型及实验数据吻合很好,表明文中建立的计算模型是可行的、有效的.并分析了气泡在重力场中的运动特性.     

微气泡流的数值模拟及减阻机理分析

本文采用k-ω湍流模型,进行微气泡流动的数值模拟.在数学模型中,将气泡流作为混合物的流动处理,同时考虑了气泡与水的相对运动.应用该模型,计算了不同气泡直径及喷入速度、不同主流速度下某三维回转体周围微气泡分布及其阻力变化,计算结果与已发表的试验研究的结论相当吻合.对计算结果的分析表明,微气泡减阻的关键是生成足够小的气泡并使之尽量附着在物体表面附近以获得较高的空隙率.     

横向舱壁对火羽流作用的临界高度分析

分析舱室横向壁面对轴对称火羽流作用的理论临界高度,将舱室内油料火灾的羽流运动速度和质量卷吸量仿真计算结果与Zukoski,McCaffrey,Thomas-Hinkley及Heskestad经验羽流模型进行比较,给出较为合理的羽流模型,仿真计算结果验证了理论分析的正确性。     

两相流相互作用下的船模微气泡减阻性能数值仿真

基于两相流理论,对集装箱船船模进行微气泡减阻性能数值仿真研究。分析船模在不同喷气口位置、不同流体含气率、不同喷射速度和不同喷射角度下的流场分布和减阻效果。结果表明:当流体内的微气泡含量过高时,会增大船体的摩擦阻力,流体的含气率为10%～20%时有较好的减阻效果,喷气口在距离球鼻艏后缘约1/3船长附近具有较高的空气覆盖率,喷气口喷气方向垂直向下产生的减阻效果比喷气方向偏向船侧产生的减阻效果要好,且船速较高时可允许含气率较高的流体注入流场并增大减阻效果。     

两相流相互作用下的船模微气泡减阻性能数值仿真

基于两相流理论,对集装箱船船模进行微气泡减阻性能数值仿真研究。分析船模在不同喷气口位置、流体含气率、不同喷射速度和角度下的流场分布和减阻效果。结果表明：当流体微气泡含量过高时,会增大船体摩擦阻力,流体含气率为10%~20%时,有较好的减阻效果,喷气口位置在距离球鼻艏后缘约三分之一船长附近具有较高的空气覆盖率,喷气口喷气方向垂直向下所产生的减阻效果比喷气方向偏向船侧效果要好,且船速较高时可允许较高含气率流体注入流场并增大减阻效果。     

基于真实海洋环境的舰船近程气泡尾流数值模拟

基于欧拉双流体模型和相群平衡模型建立了真实海洋环境下的舰船近程气泡尾流数值模拟方法,对舰船驶过时海洋背景场中生成更大气泡的可能性进行研究,以了解舰船近程尾流中气泡的空间分布特征,为声学和光学探测舰船尾流提供依据。研究表明:舰船航行会显著增加舰船周围自由面的气泡空隙率,使海洋背景场中自由面上的空隙率增加到2倍以上。大气泡主要集中在舰船的表面,体积分率可达85%;自由面上小气泡的数密度最高。原海洋背景场中不存在的大气泡将主要在壁面生成,自由面上也有少部分生成。     

基于势流-黏流双向耦合模型的数值造波

采用开源程序OceanWave3D和OpenFOAM提出了一种势流-黏流双向耦合数值造波方法。为提高数值稳定性,在势流域内的重叠区域内建立松弛区域。松弛区域的波高从黏流域直接插值获取,而速度势则根据水面边界条件方程用速度插值间接计算。基于4阶Runge-Kutta算法实现时间推进,并通过线性波、非线性波和不规则波,包括波浪正向、反向传播和二维、三维数值模拟的算例进行验证。计算结果表明,论文的势流-黏流双向耦合模型准确高效,可应用于实际海洋工程波浪的模拟。     

平面二维k-ε紊流模型不同壁函数的对比及研究

在平面二维紊流模型中壁函数起到连接流固的桥梁作用,克服了边界附近网格过密的困难,也是紊流模型应用中的一个重要环节,因此壁函数的选择对模型的模拟结果起着至关重要的作用。将3种不同形式的壁函数引入平面二维k-ε模型中,对丁坝绕流进行了数值计算,并将计算结果与实测数据进行了对比,从流场、流速、紊动动能分布及紊动耗散率等方面对3种壁函数进行优选验证,结果表明对数率壁函数优于其他两种形式的壁函数,其数值计算结果更接近实测数据。     

水深对沙波紊流特性影响的数值分析

运用FLUENT软件雷诺应力紊流模型(RSM)及SIMPLEC算法,对不同水深下沙波紊流特性进行数值模拟分析,模拟结果与实测结果吻合良好。在此基础上对4种不同相对水深下纵、垂向流速、压强及雷诺切应力分布规律进行研究。研究结果表明:相对水深较大时紊流特性受沙波地形影响较小,只有近底水体受沙波作用;相对水深较小时整个水体都会受到影响。在沙波尺度不变的条件下,紊流强度一般随水深的增加而减小,不同位置处的沙波紊流特性受水深影响程度及变化规律均不同。最大压强水平位置受水深影响的变化规律与再附点基本一致,可将最大压强作为再附点位置的判断依据。     

模拟波浪在斜坡上爬落的K—ε紊流模型

利用水深平均的Ｋ－ε紊流模型模拟波浪在斜坡上的爬落、离散格式选有Ｌａｘ－ｗｅｎｄｒｏｆｆ格式，直观的予测－修正－光滑过程用于处理移动边界问题。对崩波、破碎立波，激波的计算，表明模拟所得的紊动粘性系数分布，定性上反映了客观规律，对爬高，落深值的计算取得了与实验吻合的结果，在对波浪爬落速度分析时，发现了一些不同于以往实验研究的结果。     

计入能量损失的气泡运动三维数值模拟

在前人研究的基础上,假设能量损失主要发生在气泡体积达到最小的瞬间,通过改变压力参数计及能量损失,结合势流理论,建立气泡三维动力学数值模型。采用边界积分法求解该数值模型,计算得到气泡的动态特性,计算值与实验值吻合良好,验证了数值模型和计算方法的有效性。基于此,分别对自由场中和边界附近的气泡动力学特性进行了模拟,包括水下爆炸气泡以及空化气泡,得到了一些规律性的曲线和结论,旨在为气泡的相关动态特性研究提供参考。     

船舶尾部伴流对螺旋桨应力变形与振动的分析

针对船舶螺旋桨在航行过程中,受到周围水域复杂伴流的影响,使螺旋桨受力不均,导致螺旋桨的结构应力变形增大,进而发生螺旋桨断裂甚至失效的现象,以某散货船为例,用有限元分析方法对其进行双向流固耦合仿真。利用瞬态仿真模拟螺旋桨周围水域的流线变化,分析螺旋桨的应力与变形、振动以及模态变化,并且通过控制变量法,将有无伴流存在的分析结果进行对比,研究伴流对螺旋桨受力变形的影响程度。研究结果表明,不均匀的伴流会极大地改变螺旋桨周围水域的流线运动状态,使得其受力变形更加不均匀,增大其振动变形状态。     

简易气泡船型不同浮态下粘性流数值模拟研究

采用mixture模型,应用有限体积法,对一简易船型在船首底部喷射微气泡,进行微气泡减阻的数值模拟.计算中考虑气泡与水之间相对运动的影响,分析不同浮态下微气泡对减少船舶阻力的影响,获取了不同浮态时微气泡在船底的分布及流动情况.     

低速船舶微气泡减阻数值研究

为了研究船舶微气泡减阻规律,本文基于OpenFOAM中两相欧拉数值模型,对低速散货船进行微气泡减阻数值研究。对气液两相分别建立控制方程,考虑五种相间作用力及气泡聚合和破碎,采用考虑气泡影响的改进k-ε湍流模型,忽略自由面影响,采用叠模模型研究喷气量、气泡直径、航速及吃水等因素对船舶微气泡减阻的影响,分析气体体积分数、湍流粘度和气泡直径分布等。结果表明：微气泡可以同时减少船舶摩擦阻力、粘压阻力和总阻力;喷气量直接影响减阻率,喷气量越大,减阻率越高;较小气泡的平均气体体积分数较大且气体分布更均匀,同时湍流运动粘度较小,可以更有效减阻;气泡沿着流向会聚并,气泡越小聚并越剧烈;较高航速和小吃水更有利于减阻。     

横流中水下气泡运动特性模型对比研究

为更好地研究水下气泡的运动规律,开展横流作用下水下气泡的运动特性模型研究。首先以动量定理为基础,推导横流中水下高速气体的射流轨迹模型;其次依据牛顿定理,对水下气泡进行受力分析,建立横流中单气泡的运动数学模型;最后采用龙格-库塔法对2个模型进行求解与分析。结果表明,2个计算模型在各自的气泡速度范围内,能够模拟对应的气泡运动轨迹,而随着横流速度的不断增加,计算结果误差越来越大。研究结果为水下气泡在复杂流场中的运动特性研究提供参考。     

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。     

微气泡减阻的二相湍流边界层模型计算

利用边界层中注入微气泡来降低固体壁面摩擦阻力是一项有实用价值且有待进一步研究的减阻技术.本文以含微气泡的湍流边界层为研究对象,以气液二相流理论为基础,对二相湍流边界层控制方程进行了详细讨论,并利用差分网格法进行了求解,计算结果表明微气泡具有明显的减阻效果.最后对影响减阻效果的因素进行了分析,指出了今后的研究方向.