河型发育过程的二维数值模拟研究

改进已有二维平面水沙模型,进一步考虑河床粗化、弯道二次流及河床结构对泥沙输运的影响;并针对河湾形态对崩岸的影响提出新的非粘性土崩岸模拟方法,使其能模拟边滩的形成。利用改进后模型分别对Yen弯道水槽泥沙冲淤试验及Friendkin室内弯曲小河塑造试验进行模拟;模拟结果与试验观测资料吻合较好,表明考虑弯道对泥沙输运及河岸崩塌影响的模型能够更准确反映天然河流演化过程,为研究河型演化机理及各控制因素变化规律提供新手段。     

实现环流速度场的推流器布置

湖泊蓝藻控制的岸上实验,需要形成类似湖泊的风生流流场。本文通过方案比较,提出了经济可行的物理模拟方法,并利用Fluent对推流器形成的流场进行了三维数值模拟。数值结果表明：标准k-ε双方程湍流模型的计算结果与实验测试结果相符;通过比较多种布置方式下推流器形成速度场的数值结果,选用较为合理的三维推流器方案;通过加设导流板和调节推流器倾角,对该方案进行优化,得到了较为理想的上下环流速度场。     

90°弯管内流动的理论模型及流动特性的数值研究

从三维不可压缩雷诺时均Navier-Stokes方程出发,对90°弯曲管道内湍流流动进行数值模拟。网格划分采用六面体网格,湍流模型为RNGk-ε模型,在近壁区采用两层壁面模型进行修正,流场的计算结果与实验数据吻合较好。在此基础上,本文数值研究了来流方向对流场结构和流动特性的影响。得出在弯管流场中发生了分离现象,且随着来流侧滑角的增大,分离区范围增大。此外,随着来流从同一侧滑角变换至同一攻角时,横截面的二次流图像中也从具有两个对称主涡变成只具有一个主涡的现象。     

基于WENO-THINC/WLIC模型的水气二相流数值模拟

水气二相流与诸多领域的实际工程问题密切相关. 对二相流运动进行高精度的数值模拟是计算流体力学研究的难点和热点. 针对开敞水域的自由表面流运动问题, 将水和空气均视为不可压缩流体, 采用五阶加权基本无震荡(weighted essentially non-oscillatory, WENO)格式求解描述流体运动的纳维斯托克斯(Navier-Stokes, NS)方程, 利用以加权线性界面算法改进的多维双曲正切函数界面捕捉法(tangent of hyperbola for interface capturing with weighed line interface calculation, THINC/WLIC)追踪水气界面, 建立WENO-THINC/WLIC水气二相流运动数值模型. 模型采用分步计算法离散求解控制方程, 通过压力投影法求解压强场, 并利用三阶总变差递减(total variation diminishing, TVD)龙格库塔(Runge-Kutta, RK)法对时间项进行离散求解. 通过对环境速度场下Zalesak's disk和shearing vortex界面运动问题, 线性液舱晃荡问题以及溃坝问题的模拟结果与理论分析或试验结果的比较, 对所建立的水气二相流数值模型的适用性及模拟精度进行了验证. 结果表明, 本模型的模拟结果与物理模型或理论分析结果吻合良好, 能较为准确地再现不可压缩水气二相流运动现象. 鉴于WENO格式和THINC法本身在算法及应用等方面仍在不断改进, 本研究提出的WENO-THINC耦合模型为后续更高精度的二相流计算模型开发提供了一种研究思路.      

弯道水流二维浅水模型的修正研究

借鉴有关弯道水流流速分布的研究成果,计入深度平均流速与真实流流速分布差值引起的扩散效应,在正交曲线坐标系下建立了平面二维浅水模型.采用以标准κ-ε模型为基础的曲率效应修正紊流模型模拟紊动应力项,在一定程度上考虑了流线弯曲水流紊动应力的各向异性.应用控制体积法和交错网格法离散方程,并用SIMPLEC算法求解离散方程;同时采用修正后的模型对90°弯道水流进行了数值模拟,并与原模型的计算结果及实测资料进行了比较,结果表明该模型能够有效地模拟流线弯曲水流的水力特性.     

曲线坐标系下平面二维浅水模型的修正与应用

借鉴有关弯道水流流速分布的研究成果,计入弯道环流引起的横向的动量交换,对曲线坐标系平面二维浅水方程做了修正;采用边界处正交的曲线网格生成技术,处理复杂的计算区域边界。采用修正后的模型对90°弯道水流进行了数值模拟,并与原模型的计算结果及实测资料进行了比较,结果表明该模型能够有效地模拟流线弯曲的复杂水流的水力特性。     

天然弯曲河流的三维数值模拟

对Cartesian坐标系下的RANS方程进行三维$\xi$-$\eta$-$\zeta$坐标变换，建 立了非正交三维曲线坐标下弯曲河流的标准$k$-$\varepsilon$湍流模型. 对自由水面 的模拟采用``改进的刚盖假定'，河床和岸壁阻力的模拟采用壁面函数方法. 模型通 过具有实验数据的实验室连续弯曲水槽进行验证，模拟的流速值与实验数 据吻合良好，将模型应用于天然连续弯曲河流的流场计算，给出了表层和底层流速 矢量场和11个断面二次环流矢量图，显示该模型具有模拟天然弯曲河流的能力.     

弯道水流数值模拟研究

采用边界拟合坐标技术,生成边界处正交的曲线网格,在曲线坐标系中进行弯道水流数值计算。借鉴现有关于弯道水流流速分布的研究成果,对曲线坐标系平面二维浅水方程作了修正,修正后的方程组能够计入弯道环流引起的横向的动量交换,即考虑了二次流对流线弯曲的复杂水力特性的影响。通过连续弯道实例计算,验证了该模型的可靠性和实用性。     

海堤越浪的数值模拟

基于RANS方程和两方程湍流模型，采用有限体积法，将人射波波场作为人工的分布源项加人动量方程，提出了适用于VOF方法的源造波一消波技术。通过对行波及驻波的计算，分别考察了数值波浪水槽前端及末端消波段的有效性。在本文建立的数值波浪水槽内对规则波在海堤上爬高和越浪过程进行了数值模拟，并将计算结果与现有实验结果进行了比较。验证计算结果表明，数值模拟结果较好地复演了海堤越浪过程。为了研究模型尺度对越浪量的影响，文中设计了一组满足重力相似但具有不同几何比尺的数值实验模型。系列数值实验结果表明，若按重力相似换算越浪量，计算结果与实验预报值间的偏差随模型比尺的增大和堤前波浪破碎强度的增强而增大，建议在进行越浪物理模型实验时需进一步考虑模型比尺对原型预报值的影响。     

泄爆外流场的可视化

通过实验和数值方法,对泄爆外流场进行了可视化研究。实验中采用YA-16高速阴影系统,拍摄了泄爆外流场的时序阴影照片。基于K-湍流模型和漩涡破碎（eddy dissipation）燃烧模型,利用同位网格SIMPLE算法,对泄爆过程进行了数值模拟。根据计算结果,由计算光学获得泄爆外流场的时序计算阴影图。实验阴影图与计算阴影图较一致,都形象地揭示了泄爆后湍流火焰的发展及二次爆炸的产生和变化过程。