挑坎下游高速掺气水流的数值模拟

应用FLUENT软件及其二次开发技术,采用双流体模型及混合k-ε湍流模型对带有掺气挑坎的陡槽高速掺气水流进行了二维数值模拟。根据掺气水流的特点,重点对相间阻力模型进行了改进,特别在构建相间阻力本构关系式时考虑了湍流扩散的影响。计算结果表明,在相间阻力模型中考虑湍流扩散的影响,可明显改善以往数值计算对水流掺气估算偏低的状况,使掺气浓度的分布和掺气量的计算结果与试验数据符合更加良好,说明湍流扩散对掺气浓度的分布有重要作用。当采用双流体模型模拟掺气水流时,相间作用力模型应考虑湍流扩散的影响。     

掺气水流声速的研究

采用一维双流体模型,利用小扰动原理研究了压力波在水气两相泡状流中的传播规律。针对水利工程中高速掺气水流的特点,对方程进行合理模化和封闭。详细分析了掺气浓度、压力、扰动频率、相间相互作用力对掺气水流中声波传播速度和衰减的影响。结果表明,适当的掺气浓度会使掺气水流的声速显著降低;压强的减小和相间传热的增强可使声速减小、衰减加快;虚拟质量力主要影响高频声速,并使声波衰减减慢。     

高速掺气水流的压缩性准则

本文利用双流体连续介质模型建立了高速掺气水流基本方程，通过量级分析等方法研究了高速掺气水流的压缩性准则．在定常均质掺气水流中，绝热Ｍａｃｈ数Ｍ决定着压缩性效应的强弱：Ｍ＜０３时流动可视为不可压的；否则需要考虑压缩性效应．     

明渠自掺气水流掺气浓度分布Wood模型的改进研究

本文对明渠自掺气水流均匀流区掺气浓度分布的Wood计算模型建立中的两条基本假设进行了改进,在考虑掺气水流水气二相间相互作用的条件下,建立了气泡上浮速度和紊动扩散系数的计算式,并运用紊动扩散方程,导出了掺气均匀流掺气浓度分布的计算公式。计算值与实测值吻合良好。     

设掺气挑坎渥奇面流场数值模拟计算研究

采用了引入VOF法的κ～ε紊流模型方程对设掺气挑坎的渥奇面流场进行了数值模拟研究,共模拟了两种挑坎布设位置的方案.本模型采用有限体积法对控制方程进行离散,计算了挑流流场和掺气空腔,并通过与模型试验数据对比验证,证实该模型可较精确地模拟实际流场.分析表明:相同体型和水力条件下挑坎布于渥奇段下游优于上游,且流态稳定,下游掺气较佳,可较成功地解决渥奇段下接高速水流区的掺气减蚀问题,该数值模型结果对掺气挑坎设计选型及位置优化有指导意义.     

基于VOF模型的泄槽内掺气槽的三维 流场数值模拟

通过采用RNGk}e模型模拟湍流,利用VOF法追踪自由水面,对设置掺气槽前后两种方案 的陡坡泄槽段三维流场进行数值模拟。模拟结果表明,VOF模型是模拟带自由表面水力学问题的较 好方法,能够较好地对掺气空腔的自由面进行追踪。数值模拟结果与模型实测值二者吻合良好,表明 该种方法可用于计算掺气槽内掺气空腔的长度。     

南水北调西线明流引水洞高速水流掺气浓度的计算与测量

通过对南水北调西线阿安引水工程的高速水流掺气浓度模型试验的成果,对高速水流掺气的原理进行分析,并采用目前国内外常用的高速水流掺气水深计算的经验公式,对高速水流掺气浓度进行计算,确定掺气浓度是否能达到免蚀的要求。     

圆形弯管气液两相流数值模拟

采用双流体模型建立了基于贴体坐标和有限体积法的气液两相湍流全三维计算模型,模拟了180度圆形弯管内气液两相流动。模型中连续相(水)采用了考虑分散相(气泡)分布影响的κ-ε两方程的湍流模型;分散相采用代数湍流模型。模型将分散相按气泡分组,可以考虑不同尺寸气泡对流动的影响,提高了计算精度。在两种来流条件下,对180度圆弯管内部三维两相湍流进行了模拟,计算中将气泡按大小分为两组,通过数值模拟获得了弯管内部三维两相湍流的压力、速度和气泡体积率分布等数据。气泡体积率分布的计算结果与实测结果吻合良好。     

底部掺气设施水流掺气量的计算

掺气减蚀是高速水流泄水建筑物减免空蚀破坏的重要措施。为了有效地实现掺气减蚀,必须使通过掺气设施后的强迫掺气水流达到一定浓度的掺气量。利用本文提出的掺气坎射流轨迹的微分方程计算出了掺气空腔长度,并通过掺气坎供气系统的供气量与水流掺气量的平衡,给出了一种通过计算掺气坎射流空腔负压来确定水流掺气量的计算方法。计算结果与试验结果吻合良好。利用该方法,可对通风系统和掺气坎的设计体型进行初步验算,以判别掺气设施能否满足掺气减蚀要求。     

前置掺气坎坡度对阶梯溢洪道掺气水流影响的数值模拟

为研究复杂边界条件下气液两相界面的流动及混掺现象对工程建设的影响,结合某大型水电站的溢洪道,利用RNG k-ε模型对其进行三维流场模拟,采用有限体积法离散控制方程,并用GMRES算法进行压力求解,对前置掺气坎式阶梯溢洪道和传统阶梯溢洪道泄流壁面上的高速掺气水流进行数值模拟。结果表明:随着掺气坎坡度的增加,其掺气空腔及掺气浓度均有所增大,随着水流下泄掺气浓度沿程降低,达到一定距离后趋于稳定,掺气浓度值达到了减免空蚀破坏的要求;与传统阶梯溢洪道的模拟结果进行对比可知,增设前置掺气坎后,既可以增加前几级阶梯的掺气浓度使水流提前达到水气平衡,也没有降低阶梯式溢洪道的消能率,为解决传统阶梯溢洪道中出现的工程难题提供了一种新思路。     

掺气水流掺气浓度缩尺影响的估计

根据紊动扩散理论和相似理论导出了掺气水流试验的9个模型相似律。研究表明，若要求掺气水流的掺气浓度原、模型相似，并按重力相似律引伸，则掺气气泡的上浮速度应和水流流速一样满足重力相似律。在模型采用和原型相同的介质，即水和空气进行试验时，由于气泡上浮速度不相似，引起掺气浓度巨大的缩尺影响，本文首次对这种影响进行定量估计。研究表明，模型的比尺λL应足够大，以减小掺气浓度的缩尺影响。     

AN INVESTIGATION OF FLOW CHARACTERISTIC OF AERATED DRAG REDUCTION IN TUBE

Under the aerated conditions of wall and top intube, the turbulent flow in the tube was measured by usingLDA. The turbulent structure of the flow field and the mech-anism of aerating drag reduction in the tube were discussed. It is shown that the energy dissipations of turbulence flow andmean flow will reduce and the flow velocity (or flow rate) willincrease by injecting mini-bubbles to the wall or top of tube,namely the effect of aerating drag reduction is attained.     

Numerical investigation of drag force on flow through circular array of cylinders

A 2-D model for flow through a circular patch with an array of vertical circular cylinders in a channel is established using the Navier-Stokes equations with a hybrid RANS/LES turbulence model–the Scale Adaptive Simulation (SAS) model. The applicability of the model is first validated by test cases where experimental data are available for comparison with the computed results. It is verified that the present model can predict well the average velocity and turbulence structure. The drag force and drag coefficient are then calculated using the present model for a number of cases with different solid volume fractions, cylinder Reynolds numbers and patch diameters. It is shown that the drag coefficient increases with increasing solid volume fraction, but decreases with increasing Reynolds number. However, the drag coefficient is independent of the diameter of circular batch when the solid volume fraction and Reynolds number are kept constant.     

三方柱绕流的大涡模拟及频谱分析

高雷诺数条件下,无论来流是均匀还是非均匀,多方柱绕流情况下方柱受力及尾流的相互干扰都是相当复杂的.为了研究方柱受力及下游尾流的相互干扰,基于大涡模拟紊流模型对后品字等边布置的三方柱绕流进行了数值模拟,数值模拟结果表明,上游两个方柱的阻力系数要明显小于下游方柱,而上游两方柱升力系数远大于下游方柱,且下游方柱的升力系数基本...     

重力场下平板边界层内气液两相流动数值分析

通气减阻技术因具有降低能耗和环境污染小等效果,在工程领域内得到广泛关注。为研究重力场中气相在平板湍流边界层内流动演化过程及由此产生的减阻效应,该文耦合连续表面张力(CSF)的VOF多相流模型和标准k-?湍流模型,求解非定常RANS方程,对边界层内气液两相流动进行数值模拟。通过计算结果与实验结果的对比,验证了数值方法的有效性;进而对不同通气流量和来流雷诺数下,气泡当量直径、近壁区空隙率及流动减阻率进行定量分析。结果表明:减阻效应与近壁区空隙率密切相关;来流雷诺数和通气量的提高,均能增强减阻效应。     

块石形状尺寸对水平拖曳力系数影响的数值模拟

水平拖曳力系数是研究黄河坝垛水下散抛根石受水流作用的重要力学参数,而水流流速、根石尺寸和根石在水中的仰角对水平拖曳力系数有着不同程度的影响。基于试验数据,应用FLOW-3D数值模拟软件,采用RNG k-ε紊流模型、VOF方法和FAVOR技术模拟水下块体在水流作用下的水平拖曳力。在数值模拟结果验证可靠的前提下,分析块体不同尺寸及其与水流不同夹角对水平拖曳力系数的影响。数值模拟结果表明:当长高比小于等于3.0,水平拖曳力系数随块体长高比增大,先处于波动状态,随后趋于稳定;当长高比大于3.0,水平拖曳力系数随长高比增大而增大;水平拖曳力系数随块体宽高比增大而先增后减,最后保持稳定;水平拖曳力系数随着水流夹角角度增大而先减后增,当夹角为3°时出现最小值。     

Effect of bubble flow velocity on drag-force and shear stress working on submerged hollow fibre membrane.

This study is aimed at elucidating the mechanism by which rising air bubbles induce shear stress on hollow fibre membrane surfaces. Shear stress on hollow fibre membrane surfaces (laterally-set and vertically-set) caused by aeration was measured directly using a two-direction load sensor. In the laterally-set hollow fibre module, time-averaged upward-direction shear stress on the membrane surface was compared to theoretical shear stress values considering the effect of water flow on membrane surface. Measured time-average shear stress values were almost 200 times larger than theoretical values implying strong interactions between bubbles and solid surface. In the vertically-set membrane module, velocity measurement of bubble flow using laser Doppler velocimeter revealed that drag force working on membrane surface was closely related to upward-direction water velocity. Also fluctuation of drag force and shear force on membrane surface was found to be related to velocity fluctuation (turbulence).     

Advances of drag-reducing surface technologies in turbulence based on boundary layer control

Our living environment is surrounded by turbulence, which is also a concern of the global energy consumption and the greenhouse gas emission, and the viscous force on the solid-liquid/solid-gas interface is an important part of the turbulence. Reducing friction force in turbulence to the greatest extent is becoming an urgent issue to be resolved at present. In this paper, the various state-of-the-art approaches of drag-reducing and energy-saving technologies based on the boundary layer control are reviewed, focusing on the polymer drag reduction additives, the micro-morphology, the super-hydrophobic surface, the micro air bubbles, the heating wall, the vibrant flexible wall and the composite drag reduction methods. In addition, the mechanisms of different drag reductions based on the boundary layer control and the potential applications in fluid engineering are discussed. This paper aims not only to contribute to a better understanding of drag reduction mechanisms, but also to offer new perspectives to improve the current drag-reducing and energy saving technologies.     

掺气水流相间作用力模型分析

本文分析了掺气水流内部结构形态及水、气两相间速度滑移的特征，得到如下结论：在掺气水流中，宏观的相间速度滑移不会很大；水、气两相间动量的传递以惯性推动作用为主，并给出了虚质量力的具体表达式。