三维溃坝问题的数值模拟研究

采用求解三维弱可压流动模型及Ｋ－ε两方程湍流模型的方法，用有限差分法数值求解，研究了三维清坝引起的非定常复杂流场，文中给出一种简单而有效的处理自由面边界的方法，并详细地给出一个三维弱可压的流体动力学计算方法，数值计算表明本文的方法能较好地给出自由面的变化规律及流场的非定常过程．     

感潮河段盐水入侵的水质模型

盐潮入侵严重影响内河水质。盐度的纵向分布受制于上游径流和海洋潮汐，其水动力学特性非常复杂。数值求解不恒定盐度入侵，主要困难在于对流占优时对纯对流算子的恰当处理，否则将会产生严重的数值耗散和伪振荡等非物理效应。考虑到强混合型河口潮汐的特点，本文采用同步不同格式对盐潮入侵问题的流场及浓度场进行了数值计算。采用欧拉—拉格朗日混合解法（ELM），将对流—扩散方程中的扩散项和对流项分裂求解，应用高精度时间序列插值的特征差分隐格式求解对流项，扩散项采用传统的有限差分法。在汊口处，将描述河网汊口水质变化的三维对流扩散方程在汊口控制体积积分，变量间的插值分布采用Panankar提出的幂函数，得到新的汊口离散方程。计算与实测结果比较表明，本文提出的方法有效可行。     

大涡模拟水环境中污染物团的运动规律

本文采用大涡模拟方法封闭引入浮力特性并经空间平均后的Navier-Stokes紊流方程，对水环境中污染物的运动规律进行研究。在用有限差分法对控制方程进行求解时，用破开算子法将控制方程分为对流、扩散和源项三部分，其中对流项用QUICKET程式求解，扩散项用中心差分求解，源项用Gauss-Seidel迭代法求解。数值计算结合物理模型结果表明，污染物团在水环境中运动除有时均定量关系之外，还有三大定性规律：第一，污染物团在时间和空间上具有不规则性；第二，污染物团后部是空的；第三，在同一条件下进行多次试验（数学和物理），污染物团的运动是不一样的。计算表明大涡模拟要优于通常的 κ-ε 紊流模型，它不但能够象 κ-ε 紊流模型那样计算出污染物在水环境中的时均运动规律，而且能够计算出其在空间上的不对称发展过程，能够准确地再现其在物理模型中的不对称运动特性。计算结果无论从定性还是从定量关系上都与试验结果吻合一致。     

空泡在任意流场中的运动研究

本文从理论上较全面地分析了空泡在任意流场中的受力，在空泡运动中，考虑了变形场、有气体扩散、流体的可压缩性等因素的影响，建立了空泡在任意流场中的三维运动控制微分方程，给出了计算空泡运动的数值方法，并求解了空泡在一混流式水轮机转轮流场中的运动。     

感潮河段盐水入侵的河口水质模型

盐潮入侵将严重影响内河水质。本文考虑强混合型河口潮汐的特点,采用同步不同格式对河口盐潮入侵问题的流场及浓度场进行数值计算。采用欧拉-拉格朗日混合解法将对流-扩散方程中的扩散项和对流项分裂求解,应用高精度时间序列插值的特征差分隐格式求解对流项,扩散项采用传统的有限差分法。在汊口处,将描述河网汊口水质变化的三维对流扩散方程在汊口控制体体积积分,变量间的插值分布采用Panankar提出的幂函数,得到新的汊口离散方程。计算与实测结果比较表明,本文提出的方法有效可行。     

基于多单元均衡法的地下水流与水质联合数值研究

针对地下渗流与污染物迁移数值模拟中计算程序复杂、效率偏低等不足,开展了地下水流与水质联合数值研究。首先基于多单元均衡法,建立了渗流与污染物迁移的联合模型,采用Matlab语言编制了联合程序,使之能够求解单一地下水渗流、初始流场稳定的地下水污染和初始流场不稳定的地下水污染等多种情况。然后计算了一维对流弥散问题,并与多种计算方法进行对比分析。最后对某地地下水污染物的扩散分布进行了模拟。结果表明:通过控制自定义特征数,实现了对不同水文地质特征问题的求解;采用上游加权法解决大Peclet数污染物迁移问题时,并无明显数值弥散现象,又能抑制数值解的振动;本程序具有较高的计算效率,并能够显著提高后处理的可视化程度。     

应用协调单元计算三维对流问题

在数值求解三维对流问题时，关键是要寻找一种高精度的空间单元插值模式，使之既要保证解的稳定性，又要防止产生过大的数值伪扩散，因而成为数值求解的主要困难之一。文中探讨的任意空间六面体协调单元，能保证单元节点上的函数，一阶导数及其二、三阶混合导数是连续的。其例表明，本文提出的空间协调单元数值计算方法，具有同时满足稳定性好和数值伪扩散低的优点，不但较常用的非协调单元线性插值方法，而且比拟协调单元插值方法，均有效地提高了三维对流数值求解的精度。     

混合拉普拉斯变换有限单元法计算二维地下水溶质运移问题

在求解对流占优的地下水溶质运移问题时，常规数值方法会产生数值扩散和过量现象．本文将混合拉普拉斯变换有限单元法引入求解二维对流扩散问题，结果表明，这种新的计算方法能有效地消除数值扩散和过量现象，同时由于具有一步到位、局部求解的优点，因而特别适于大区域地下水污染的长期预报     

叶片式泵内气液两相泡状流的三维数值计算

为研究旋转叶片式泵中的气液两相流动规律及泵性能，本文根据气泡泡状流模型提出了一个两相流三维数值分析方法。该数值计算由两部分的计算迭代完成，第一部分是已知含气率分布的连续相(液相)流场的计算。液相流动方程的三维数值求解采用了流面坐标迭代法。第二部分是已知液相流场后的分散相(气泡)轨迹的计算。气泡运动方程中考虑了流场压力梯度差产生的力、气泡周围液体产生的阻力及由于液相质量产生的惯性力等影响气泡运动的因素。通过对气泡运动方程进行数值求解，可得到泵内的含气率分布。再将两部分的计算进行反复迭代，最终得到收敛解。本文将该三维两相流数值计算方法用于多级螺旋轴流式增压泵叶轮的计算、设计。计算结果表明：从叶轮回转面上看，气泡运动转轨并不明显地偏离液相流线。然而从叶轮子午面上看，几乎所有的气泡，不论其初始位置如何，它们最终都移向轮毂表面。该三维两相流数值计算以其简单实用的特点，有望成为工程中气液两相增压泵的一种有效设计工具。     

用流线迭代法计算类船体尾部及尾流中的三维湍流流动

本文在[1]的基础上给出了计算类船体尾部及尾流中三维湍流流动的计算方法。通过迭代求解非正交曲线网格系统中的基本方程,可得到整个外部流场的数值解。     

NUMERICAL INVESTIGATION OF FLOW OVER A WEIR

1 .　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＷｅｉｒｉｓｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｎ ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ.Ｉｔｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｈｅｆｌｏｗｓｏｖｅｒａｗｅｉ     

三维宽顶堰紊流场数值模拟及分析

本文利用三雏标准k-ε紊流数学模型,选择VOF方法追踪自由表面,采用气液两相流计算模型对宽顶堰流场进行了数值模拟,计算结果与试验数据较为吻合.模拟结果表明,数值模拟能够广泛应用于数值模拟带有复杂自由表面的泄水建筑物紊流场.     

二维非定常水跃湍流现象的数值模拟

通过求解时均N-S方程及K-ε湍流模型,数值模拟了典型水跃湍流由静止到最终稳定的全过程,采用VOF模型跟踪自由表面的变化.本文给出了水跃现象在不同时刻自由表面的变化情况,主要对水跃过程中自由表面的形状、内部流场结构、速度矢量场及压力场分布进行了分析.结果表明,VOF模型能够有效地描述水跃这类复杂自由表面流道的湍流特性,...     

基于弱可压缩理论的射流泵流场数值预报

应用弱可压缩流体控制方程和大涡模拟湍流模型，采用MacCormack的预估一校正方法对射流泵内流场(二维)进行了数值模拟。经过对不同射流泵运行工况的计算，都取得了令人满意的预报结果。研究表明，弱可压缩流动方程能代表低马赫数时的真实流动现象，且方程具有双曲性质易于数值求解。数值模拟结果可为改进射流泵性能提供依据。     

宽顶堰水流数值模拟分析

本文利用紊流模型模拟了带有曲线自由表面的宽顶堰流的紊流流场,采用VOF法来确定自由表面,采用气液两相流计算模型对宽顶堰流场进行了数值模拟,计算结果与试验数据较为吻合.模拟结果表明,数值模拟是作为研究水利工程中带有自由表面的水流结构的一个强有力的工具,其结果对物理试验也是一个很好的补充.     

Fully three-dimensional Reynolds-averaged Navier–Stokes modeling for solving free surface flows around coastal drainage gates

In this study we carry out numerical simulations of free surface flow through the drainage gates of the Saemangeum tidal barrier that is located in the west coast of South Korea and is also known as the world largest man-made tidal barrier. Instead of using depth-averaged numerical models, which have been widely used in hydraulic and coastal engineering, we employ the fully three-dimensional free surface flow model of Kang and Sotiropoulos (2012b) to simulate the flow around the gates. The numerical model is based on the two-phase level set method solving the air and water simultaneously and the curvilinear immersed boundary method that is able to handle arbitrarily complex geometries. In the simulations turbulent flows are also resolved by the shear stress transport $k-\omega$ model. The numerical model is applied to simulate fifteen different flow conditions with various gate opening scenarios, and for selected test cases laboratory experiments are also carried out. The computed flowfields at various flow conditions are compared with the laboratory measurements and the field observations and the comparisons showed satisfactory agreements both quantitatively and qualitatively. Using numerical simulation results, we elucidate the structures of turbulent flows associated with a high-speed jet-flow like structure and a hydraulic jump at the far downstream of the gates. The results presented in this paper demonstrate the predictive capabilities of the numerical model and its potential as a powerful engineering tool for estimating the discharge-water level relationship and the three-dimensional flowfield of real-life drainage gates.     

3-D TURBULENT FLOW SIMULATION FOR THE TAIL WATER CHANNEL

３－ＤＴＵＲＢＵＬＥＮＴＦＬＯＷＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮＦＯＲＴＨＥＴＡＩＬＷＡＴＥＲＣＨＡＮＮＥＬＧｕａｎＪｉａｎ－ｙｏｎｇ；ＣｈｅｎＢｉ－ｈｏｎｇ（ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２３，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ...     

X型宽尾墩水气两相流场的数值模拟

采用VOF方法和RNGk-ε模型对X型宽尾墩三维紊流流场进行了数值模拟,利用隐式解法提高了计算速度,捕捉到了水气两相流场并完成了对流场紊流特征的正确模拟.模拟结果表明:该模拟与实测结果吻合良好,说明采用的数值模拟技术对于自由水面的模拟能力可以满足工程实践的需要.     

小石峡水电站溢洪道消力池结构优化的三维数值模拟

以新疆小石峡水电站为例,采用FLUENT软件、RNGk-ε紊流模型及VOF方法相结合处理了自由水面,并对溢洪道的流场进行了三维数值模拟,得到了优化溢洪道在设计流量1 856.2 m3/s时的泄流流态,并将消力池段自由水面线、底板压强、断面流速与模型试验结果进行了比较,结果表明数值模拟结果与模型试验结果吻合较好。