潮流数值模拟中紊动粘性系数的研究

从流体运动基本方程出发，对Boussinesq假设的合理性进行了初步探讨，阐述了紊动粘性系数的物理含义及其在数值计算中所起的作用，就一内设正交丁坝的半封闭海域中的平面紊动粘性系数对二维潮流数值计算结果的影响进行了讨论。结果表明，平面紊动粘性系数对潮位和平均流速的影响较小；随着紊动粘性系数的增加，丁坝背流侧回波的强度和影响范围均明显增大，就风生流和环岛水流两个理论算例中的垂向紊动粘性系数对三维潮流数值计算结果的影响进行了讨论。结果表明，垂向紊动粘性系数越大，流速分层越不明显，流速的绝对值也越小；垂向紊动粘性系数的梯度变化则对水平流速的垂向分布起着决定性的作用。综合理论分析和数值试验的成果，垂向紊动粘性系数宜采用抛物线分布的结构型式。     

弯道水流紊动强度

采用先进的三维声学多普勒流速仪对水力光滑壁面的弯道水流紊动特性进行了系统的试验研究，较为全面地测量了弯道水流的三维时均流速和脉动强度等．根据试验数据，探讨了弯道水流的紊动机理，分析了弯道水流的紊动特性，得出了弯道水流纵向相对紊动强度的数学表达式；同时还对弯道水流纵向、横向及垂向的紊动强度分布特点进行了比较．     

基于含沙紊动水流掺混长度的含沙量垂线分布

根据Prandtl掺混长度理论对紊流动量传递的假设,推广得到挟沙水流中泥沙扩散对应的含沙紊动水流掺混长度。类比Prandtl动量传递系数与紊流掺混长度的关系,由含沙紊动水流掺混长度推导出与实测数据吻合较好的泥沙扩散系数,得到新的含沙量垂线分布公式,并利用多个海域实测资料对其进行验证。验证结果表明,新的含沙量垂线分布公式能够较客观地反映含沙量垂线分布规律。     

高含沙水流紊动输送

通过理论及资料分析研究了清水、低含沙水流和高含水流的紊动粘性系数变化规律。结果表明，考虑紊流相干结构的清水水流紊动粘性系数随尾迹强度的增加或减小而相应增减。低含沙水流紊动粘性系数随含沙量增加而减小，即挟沙后水流紊动强度减弱。高含沙水流紊动粘滞系数更是如此，且垂向最大值偏离中间水深向下移。紊动粘性系数与含沙量、冲刷、淤积状态有关，宾汉极限剪切力对紊动粘性系数有较大影响。     

柔性淹没植被的排列方式对水流特性的影响

采用塑料草模拟河道中的柔性淹没植被,通过室内高精度水槽试验,用三维声学多普勒流速仪对同种淹没度、不同排列方式下柔性淹没植被的水流特性进行测量研究,得到柔性淹没植被时均纵向流速、垂向紊动强度、雷诺应力沿相对水深的分布特征.结果表明:在植被层外部,两种排列方式下时均纵向流速符合"J"形分布,垂向紊动强度、雷诺应力呈递增趋势,近似线性分布;在植被层内部,梅花形排列方式下阻水效应及雷诺应力较之矩形排列明显,矩形排列方式下垂向紊动强度较之梅花形排列剧烈.     

水库水温分层的流场分析

水库水温分层是流体密度流现象的一种,其形成受库区内流场、太阳辐射和表层热交换的共同影响,而水温分层状态的出现又将影响水库来流在库区的流动过程和出库水流的温度.以流场与温度场耦合计算的立面二维水库水温模型为基础,对水温分层的主要影响因素进行了理论分析,结合数值模拟讨论了温度场与流场的相互作用,对分层状态与来流发展特别是与垂向流动的关系进行了剖析.认为一定的来流水温差和表层热通量是水库形成分层状态的必要条件;水库表层温跃层对紊动扩散的抑制使温跃层内纵向和垂向动量均低于层外水体,上游来流高温水遇此温跃层之后易被阻碍而形成密度流下潜;双温跃层主要由高温流动层通过紊动不完全侵蚀底部低温水层而形成;水库底部回流区方向受主流动层流线方向控制并随主流动层流线趋于水平而被压缩;泄流孔口高程处主流动层形成的流速切应变使附近温度梯度减小,等温线趋于稀疏,主流动层随流量增加而增厚.     

45°弯段明渠剪切分层流稳定性分析试验研究

通过物理模型试验,对45°弯段明渠剪切分层流的稳定性进行研究,同时进行了直道和45°弯段两种水槽的分层流试验,获得不同工况下的断面流速、温度、紊动动能、雷诺应力等物理量.选用初始密度弗汝德数作为稳定性判数,对直道和45°弯段水槽的分层流稳定性进行了分析,得出试验条件下两种水槽的稳定性判别标准并进行对比.结果表明,45°弯段分层流稳定分层的临界初始密度弗汝德数值约为直道分层流的0 7倍,说明弯段的存在加剧了分层流的垂向掺混.     

三维海洋紊流模型对杭州湾附近潮流场数值模拟

采用一种半隐式三维海洋紊模型对杭州湾及长江口附近潮流进行了数值模拟,该模型在垂上向采用σ坐标,可以较精细地处理表面和底层,较好地模拟地形的垂向变化和密度分层对潮流场的影响,潮汐流的潮位和潮流速的二维、三维模拟结果与实测结果符合良好。     

基于非静压方程的波浪破碎模拟

在保证数值精度的基础上,为了提高非静压波浪模型在近岸波浪传播破碎模拟中的计算效率,基于非静压方程模型(SWASH)建立了近岸波浪破碎数值模型.数值模型通过将描述波浪破碎的非静压方程退化为非线性静压浅水方程并引入波浪破碎后能量衰减的紊动模型以减少模拟破碎时的垂向分层数.利用斜坡、潜堤以及沙坝上的波浪破碎水槽实验对模型进行了验证.结果表明,所建立的模型只需要在垂向划分较少的网格层数,即可合理地描述波浪破碎点位置和破碎后波高,进一步提高了非静压波浪模型在实际工程应用中的吸引力和竞争力.     

紊动浮射流中的普朗特数取值研究

采用k-ε双方程模型研究存在浮力的传热流动问题时，数学模型中的参数-紊动普朗特数的取值大小对模拟计算的流速和温度分布存在不同程度的影响．本文在已有实验推荐的取值范围的基础上，采用圆柱轴对称坐标系下的k-ε模型，研究了不同紊动普朗特数取值对数值模拟结果逼近真实值的影响程度．研究得到紊动普朗特数取值的变化对轴线流速的大小和分布影响很小，即数值模拟得到的轴线上的流速仍能很好的预报出实验或真实流速值；但对温度分布影响较大，且紊动普朗特数的取值越小，数值模拟出来的轴线上的温度值与真实值相比偏小．得出了紊动普朗特数在大小不同雷诺数下的合理取值变化范围，其结论对采用数学模型研究各种复杂流动具有指导意义．     

气体普朗特数变化规律的初步研究

反映流体中能量和动量迁移过程相互影响的无因次组合数－普朗特数,在热力计算中具有重要的作用,作者从分子运动理论角度出发,对普朗特数进行了分析,通过氩,氮和水蒸气３种常见物质的普朗特数的变化情况,对普朗特数的一些基本变化规律进行了初步研究,并提出了适用于这３种物质的普朗特数变化规律的经验公式。     

均匀剪切稳定分层流动中湍流特性的数值研究

采用大涡模拟的方法,研究了均匀剪切稳定分层流动.主要对不同梯度Richardson数下湍流动量和标量输运特性进行分析研究.结果表明:随着梯度Richardson数的增大,湍流动能减小,湍流势能增大；垂向热通量和雷诺应力减弱,流向热通量增强；并且在强分层情况下,存在动量和热量的逆梯度输运现象.     

竖壁对流换热系数计算模型的探讨

根据流体边界层理论,研究了高普朗特数常物性不可压缩流体在重力作用下,沿竖直壁面无初速度加速流动过程中速度边界层和热边界层的形成规律,给出了速度边界层和热边界层的厚度函数·据此,研究了该模型下对流换热系数的计算方法,推导出计算公式·在短距离流动中,该模型的速度边界层和热边界层较流体外掠水平板模型厚,换热较弱,因此对流系数较小·工程实际中的许多换热问题都可以简化成流体在重力作用下沿竖直平板流动模型·把该模型下得到的对流系数公式应用于飞机附件机匣的传热计算中,得到了比较精确的结果·     

封闭方腔自然对流的涡结构和传热特性

为研究封闭方腔自然对流的涡结构和传热特性,对普朗特数,Pr=0.71,方腔高长比A=H/L=1,瑞利数Ra=1.58×109的二维封闭方腔自然对流进行了直接数值模拟. 给出了水平边界层发展阶段和垂直边界层转捩阶段的流场结构以及Nu数分布. 结果表明,压力梯度对方腔的水平速度变化起着决定性的作用;高Ra数下的自然对流在逆压梯度作用下水平方向形成一系列的涡,这些涡使得水平边界层流动形成分层结构;壁面Nu数与速度梯度?v/?y有着密不可分的关系.      

密度分层流中的浮射流模拟

以垂向密度变化的环境流体为背景,采用k ε紊流模型,建立了垂向二维浮射流的数值模型.模型的求解采用有限体积法和SIMPLE算法.针对密度分层流中的浮射流实验,对垂向密度呈线性变化的垂直浮力射流进行了数值模拟,得到射流的密度场、射流轨迹、稀释度和射流宽度等的分布规律.通过数值模拟和实验结果的对比分析表明,两者吻合较好,所建立的垂向二维浮射流紊流模型能够比较精确的模拟分层环境中浮射流的水流状况和射流进入环境流体的混合状况.     

变温平板绕流换热的一个数学解

本文给出了在平板壁温不为常数,绕流壁面的横向速度也不为零和Pr数是变量时的一个数学解。平板壁温Tw正比于x~m(m为正整数)。     

关于盐度分层流的数值计算

本文在前人对温度分层流研究的基础上,建立了一个适合于计算盐度分层流的非线性垂直涡流系数计算公式,并用于三维流场计算。所得结果不但定性反映了盐度分层流的主要特点,在定量计算上亦与许多已有的实验分析相符合,从而该计算模型的实用性和潜力被证实。这一模型还将对水质研究具有一定的参考价值。     

立式多级筒袋泵诱导轮及首级叶轮内的空化流动模拟

为了改善立式多级筒袋泵的空化性能,研究其内部的空化流动规律,采用基于质量输运方程的混合流空化模型和标准k-ε模型,运用大型通用计算程序ANSYS CFX,计算了立式多级筒袋泵内的三维湍流空化流动的临界空化数,并与实验进行对比。基于数值计算的结果,分析了较小流量及较大流量运行工况下该泵的空化流场。研究表明:采用诱导轮改善了泵的空化性能;从小流量至大流量,泵内的严重空化区域由诱导轮转移至首级叶轮。本文采用的空化流动模拟方法可较好地预测立式多级筒袋泵在设计流量附近的平均空化性能。