非定常不稳定液固两相流动中旋涡对颗粒运动影响的数值研究

构建起双向耦合的液固两相流动旋涡动力学模型与数值方法;应用离散涡方法,计算非定常不稳定水流场;采用Lagrange方法模拟颗粒运动,颗粒对流体的反作用通过修正涡泡运动速度来实现。利用所建模型,计算了两种St数的泥沙粒子在圆柱绕流场中的运动。结果证明了液固两相流动中颗粒运动与旋涡存在着明确的相关结构:(1)当水沙混合物中的泥沙颗粒碰上旋涡时,泥沙颗粒被卷入旋涡中,被卷入旋涡中的泥沙颗粒在运动过程中始终分布于旋涡区;(2)均匀水沙混合物绕圆柱流动,由于流体流过圆柱时产生剧烈分离流动,使得在尾迹流内中等St数 (St～o (1))的泥沙颗粒从均匀水沙混合物中分离出来而往旋涡区聚集。     

弯型截止阀流场的PIV显示和数值模拟

为了解弯型进口截止阀的流场特性,用粒子成像流速仪(PIV)对弯型截止阀对称面模型进行了流场显示;此外,采用了RNGk ε紊流模型和贴体坐标对弯型进口和斜进口截止阀对称面流场进行了模拟。通过用粒子成像流速仪流场显示技术和数值计算,揭示了弯型进口和斜进口截止阀流场特性,数值计算的流态与实验结果也较为吻合。计算结果显示斜进口截止阀流态好于弯型进口截止阀的流态。     

水平圆柱强迫振荡水动力特性的数值模拟

为了研究处于自由面以下完全淹没状态的水平圆柱在强迫振荡运动时的水动力特性,采用基于黏性流理论建立的二维两相流数值波浪水槽模型,对不同液相黏性条件下强迫振荡水平圆柱的受力进行计算,并对压力、黏性切力和圆柱运动之间的相位关系特征进行对比和分析,进而结合流场分析解释黏性影响机理。结果表明:黏性切力和涡旋压力对流体作用力的贡献差别是导致不同流体黏性下流体作用力结果差异的主要原因;涡旋运动相对圆柱振荡运动的滞后性受流体黏性影响显著,导致不同流体黏性下压力之间有相位差;流体水质点相对于圆柱的滞后运动在大黏性流体中更为显著,这导致了其黏性切力的相位超前现象。     

水平圆柱强迫振荡水动力特性的数值模拟

为了研究处于自由面以下完全淹没状态的水平圆柱在强迫振荡运动时的水动力特性,采用基于黏性流理论建立的二维两相流数值波浪水槽模型,对不同液相黏性条件下强迫振荡水平圆柱的受力进行计算,并对压力、黏性切力和圆柱运动之间的相位关系特征进行对比和分析,进而结合流场分析解释黏性影响机理。结果表明:黏性切力和涡旋压力对流体作用力的贡献差别是导致不同流体黏性下流体作用力结果差异的主要原因;涡旋运动相对圆柱振荡运动的滞后性受流体黏性影响显著,导致不同流体黏性下压力之间有相位差;流体水质点相对于圆柱的滞后运动在大黏性流体中更为显著,这导致了其黏性切力的相位超前现象。     

侧向水平进水孔口立轴旋涡的试验研究

通过自制模型对侧向水平孔口的立轴旋涡进行基础试验研究。使用有色颜料追踪旋涡表面的质点运动,观测到其轨迹线为多圈螺旋流,并根据这一特性采用摄像法和图形处理技术对时均速度进行测量,与理论结果对比证明这种简单经济的方法是可行的。通过改变试验装置分析来流方向对旋涡的影响,表明进口轴线与来流方向之间的夹角过大是形成立轴旋涡的诱因之一。根据试验结果得出不同来流方向的临界淹没水深计算公式,并对公式进行推广,可作为设计时的参考依据。     

新型开孔桥墩水动力特性的PIV试验

基于粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry,PIV）对新型开孔桥墩周围的水流结构进行试验研究。通过分析开孔桥墩中轴面（y/b=0）处的立面流场和桥墩周围不同水深位置处的平面流场,探究开孔桥墩周围水流动力结构。试验结果表明,矩形开孔桥墩周围水流呈明显的三维结构特点。在桥墩上设置方孔,能有效地抑制墩前部分下降流的形成、降低墩前壅水的高度和改善墩侧水流流态,同时明显改变墩后尾流结构。方孔所在水深位置处（z/h=0.45）,墩侧低速区最大相对宽度以及墩后尾流区最大相对宽度与相对孔宽比（w/b）呈二次曲线关系,且相关关系密切。近水面处（z/h=0.75）,w/b=0.5条件下墩后旋涡对的相对长度为无孔时的70%;相反,近床面处（z/h=0.15）旋涡对的相对长度略有增加,但旋涡对的相对宽度一直保持在1左右。     

横流中圆孔湍射流的旋涡结构

应用PIV流场测试系统,研究不同流速比的横流中圆孔湍射流的旋涡结构。发现主要有4类旋涡,即射流主体周缘剪切层的类开尔文涡列、横流绕流分离旋涡、射流喷口前缘的马蹄涡系和尾迹涡。分析了这些旋涡的形成机理及其拓扑性质,射流近区有两条分离线,一条是横流绕流分离线,另一条是使射流两侧剪切层旋涡进入分离旋涡区的分离线。证实绕流分离旋涡最终在射流的顺流贯穿段进入射流主体,混合形成射流主体内的主反向旋转涡对。     

SPH法在大坝表孔泄流数值模拟中的应用

主要对光滑粒子流体动力学(SPH)法进行研究,建立了大坝表孔泄流的光滑粒子模型。将SPH数学模型应用于拉西瓦水电站表孔泄流中,提出了采用补水边界的方法来满足库区恒定水位条件,模拟了表孔泄流的流场变化及粒子运动过程。通过与物理模型实测的压力值比较,堰表面压力变化基本一致。对模拟结果进行分析,表明光滑粒子流体动力学可用于高速水流的计算模拟研究。     

非完全淹没水平圆柱上波浪力特征的数值模拟

为研究大波幅波浪作用下,非完全淹没水平圆柱所受波浪力的特征,基于黏性流理论采用有限体积法建立两相流数值波浪水槽模型,对不同波幅和圆柱垂向位置下非完全淹没水平圆柱所受波浪力进行了数值计算,并对波浪力和冲击力的特征进行了分析,讨论了冲击力与冲击速度的关系,结合经验计算公式拟合得到了冲击力系数。结果表明:波浪力的大小受波幅和圆柱垂向位置的影响比较显著,其影响机理与波浪场流体运动特性相关;冲击力的大小与冲击速度密切相关,而垂向冲击力在波浪力中起主导作用时,对应的最小预测冲击速度受圆柱垂向位置影响并不显著;不同圆柱垂向位置下冲击力系数随着波幅增大由分散性较强逐渐趋于集中。     

横流环境湍射流涡动力学特性数值模拟

采用三维湍流模型及其混合有限分析解法进行横流中湍射流这一复杂三维流动的研究。在利用实验数据对模型及其计算方法验证的基础上,对多种喷口形式和流速比工况下的流速场和涡量场进行了数值计算,模拟得到了其旋涡结构发展演化特性。在射流初始阶段,横流在射流背流面形成绕流分离旋涡,其结构与射流喷口形式和流速比有关。射流主轴沿流向布置的窄缝射流产生的旋涡最为特殊和复杂,在喷口侧面存在4个分离点,从而形成4个旋涡。在射流远区,流动主要由反向旋转涡对所控制,并诱导出二次涡对。分析得出了射流喷口形式及流速比对反向旋转涡对涡核位置和旋转强度的影响。     

带横隔板圆柱绕流特性数值模拟

为揭示尾迹区添加横隔板对圆柱绕流流场特性影响,把多步格式引入到特征线算子分裂有限元法中,建立了基于多步格式的特征线算子分裂有限元法:在每个时间步内将Navier-Stokes方程分裂成对流项和扩散项,对流项时间离散采用多步格式,在每一子时间步内沿特征线展开并显式求解。方腔流数值模拟结果表明该算法既可降低对整体时间步长的要求又可提高计算精度。对比有无横隔板圆柱绕流流场和圆柱表面压力变化表明,横隔板可以有效地抑制绕流尾迹区涡旋脱落,提高圆柱背流面压力,减少圆柱上下表面的压力差。     

非均匀颗粒流应力关系实验研究

颗粒流问题在自然界和许多工程领域都可能遇到。采用特殊的内外筒均可单独旋转的同心圆筒颗粒剪切实验装置,测量了非均匀离散颗粒在旋转剪切流动下的切应力变化,分析了颗粒浓度、粒径与边界条件等因素对颗粒流动应力的影响。结果表明,颗粒浓度和颗粒粒径均对剪切应力产生影响,Savage实验（内筒旋转）和Bagnold实验（外筒旋转）的结果产生差异的主要原因是边界滑移和旋转离心力。同时,基于已有成果,深入研究了颗粒应力关系变化的特点和规律。     

线性剪切来流下串列双方柱绕流特性的数值模拟

为揭示线性剪切来流对串列双方柱绕流特性的影响,基于多步格式的特征线算子分裂有限元法,在计算域出口处采用对流边界条件,建立线性剪切来流的方柱绕流数值模型。对剪切参数为0~0.4的不同间距比下串列双方柱绕流数值模拟,结果表明:剪切来流可以抑制涡漩脱落,降低斯特劳哈数;上游方柱驻点随剪切参数的增加向高速侧移动,当剪切参数大于0.3时驻点的位置不再发生变化。进一步通过对比剪切参数分别为0和0.1的模拟结果发现:串列双方柱间隙内流场有无涡脱产生与该区域内水平方向时均速度场为负的区域是否连续有关;间距比和剪切参数通过改变方柱周围的速度场对作用于方柱表面的压力产生较大影响,迎流面与背流面的压力差剧增导致方柱平均阻力系数剧增。     

下平板滑移对后台阶流的影响

采用混合有限分析解法对后台阶流在下平板滑移作用下的流动状况进行了数值模拟,并在与典型后台阶流进行比较的基础上分析了下平板滑移对流动结构所产生的影响。计算结果表明,这种情况下的后台阶流动涡漩结构更为复杂,流动区域内生成三个漩涡,两个小漩涡位于下部漩涡区,其长度主要随着下平板滑移速度的增大而减小;一个大漩涡位于上部漩涡区,其长度随着下平板滑移速度和雷诺数的增大而增大,但雷诺数的影响更为显著。     

低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究

为研究径流式低坝影响下的水流流动与泥沙淤积特性,开展水槽试验,基于图像测量技术,获取并解析坝附近区域流场信息及典型淤积形态。结果表明：坝前附近流段纵向流速在垂线上出现衰减区,减幅随水流强度增大而减小;坝顶断面纵向和垂向流速沿垂线的分布均呈现显著的分区特性,分区界限几乎不受水流强度的影响;随坝顶水深增加,坝下游漩涡涡心向下游及河底移动,面积和强度皆增大;坝上游淤积形态特性对水流强度的变化非常敏感,在较低强度来流下,呈接近坝体的稳定曲面斜坡,而在高强度来流下,不形成稳定淤积体;坝下游形成动态稳定的淤积斜坡,纵剖表面线呈抛物线规律,随来流强度变异程度小。     

明渠湍流涡运动尺度分布特性

为了解明渠湍流涡运动尺度沿水深的分布特征,使用高精度粒子图像测速法水槽试验系统测量充分发展的明渠湍流,利用改进后的功率谱分析方法,对明渠湍流涡运动尺度沿水深分布、上升流、下扫流和平均涡量等进行了分析。结果表明:明渠湍流涡运动尺度大小沿水深增加呈先增大后减小;沿水深增加下扫流比上升流更容易发生;各自水深的顺向涡涡量大于逆向涡涡量,在近壁区平均涡量最大;明渠湍流近壁区产生涡量大、尺度小的涡结构,沿水深增加,涡尺度发展变大,但受水面区下扫流抑制,涡尺度又变小。     

粗糙岩石裂隙低速非线性渗流模型及试验验证

岩体粗糙裂隙非线性渗透特性是岩体渗流研究的重要课题。针对Javadi所提T模型中亚裂隙中速度恒定这一假设的不足,将其修正为速度与开度成正比的经验关系,考虑黏性压降和局部压降,提出了新的低速下粗糙裂隙非线性渗流模型（MT模型）。为了验证MT模型的正确性,对5种不同粗糙裂隙进行了低流量的饱和渗流试验,将现有模型及MT模型的预测值与试验结果进行对比,分析表明MT模型与试验结果更为吻合,且模型适用于粗糙性系数JRC≤10的低粗糙度裂隙,雷诺数小于1 000的低流速情况。对MT模型进行分析,初步揭露了粗糙裂隙的非线性渗流机制,即小雷诺数下的Darcy流和大雷诺数下的Forchheimer流,并用临界雷诺数区分两种流动行为。分析了裂隙的粗糙度和开度对非线性渗流特性的影响,表明裂隙越粗糙或开度越小,则临界雷诺数越小,非线性作用将越强。提出了临界雷诺数与水力开度和绝对粗糙度的经验关系式,同时指出该关系式适用于JRC≤10的低粗糙度裂隙。