不同交汇角度明渠交汇口三维水力特性的大涡模拟研究

采用气液两相流混合模型对不同交汇角度下等宽明渠交汇口三维水力特性进行了数值模拟研究。选取大涡模型(Large Eddy Model)封闭两相流时均方程,求解速度与压力耦合方程组时使用半隐式SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法,模拟自由水面采用VOF(Volume of Fluid)法。将交汇角度为90°时采用大涡模型计算得到的纵向截面水面线和不同测线上的速度分布与文献中的试验结果相比较,两者吻合良好,且水面线高度误差在4.2%以内,由此可见大涡模型是模拟交汇口水力特性的有效方法。进而将大涡模型用于模拟交汇角度为30°、45°、60°的交汇口水流,得到交汇口处的水深变化及流场的分布规律,并定量分析了交汇口下游各横断面流速不均匀系数的分布规律。结果表明:在整体上交汇角度越大,交汇口各特征横断面流速不均匀系数越大,即水流流速分布越不均匀。     

定床弯道内水沙两相运动的数值模拟

在适体同位网格中采用非正交曲线坐标系下的三维k-ε-kp固液两相双流体湍流模型研究弯道内水流和悬浮泥沙运动,主要计算了试验室S型水槽内清水流动的三维流场、120°弯道内水沙两相流动中底沙与底流的运动轨迹以及S型水槽内水沙两相流动的两相流场和泥沙浓度场. 对于S型水槽内清水流动,数值结果与试验结果吻合良好. 120°弯道内水沙两相流动中固液两相的运动轨迹在弯道直线段基本重合,在弯道内泥沙轨迹逐步偏离水体轨迹,其偏离程度随泥沙粒径增大而增大. 从S型水槽内水沙两相流动计算结果中发现泥沙纵向流速在壁面附近比水流纵向速度大,在远离壁面区域比水流纵向速度小;弯道内泥沙横向流速比水流横向流速小;垂向流速在直线段和泥沙沉速相当,在弯道内受螺旋水流影响而变化;两相流速差别随泥沙粒径增大而变大;泥沙浓度呈现下浓上稀的分布,在弯道内横向断面上呈现凸岸大凹岸小的分布,泥沙浓度随泥沙粒径增大而减小.      

明渠交汇口分离区三维几何特性的大涡模拟研究

为更准确地把握交汇角对分离区三维几何特性的影响,建立了不同角度的交汇水槽模型并进行数值模拟.采用大涡模拟(LES)方法求解交汇区的湍流流场,并基于平衡层模型的Werner壁面函数法处理近壁区流场.模拟所得垂向流速分布及分离区尺寸等结果与实测资料吻合程度较高.以90°交汇水槽为例较详尽地分析了分离区的三维几何特性,并从流...     

“射流松动泥沙”的机理及工程应用试验研究——射流引起的非均匀流全河段水面比降及垂线流速分布

泥沙清淤技术及其基础研究需要不断发展,通过自制射流发生装置,在水槽中对射流引起的非均匀流水面比降及垂线流速分布全河段变化特点进行了系统试验研究。由于射流的存在,水面比降及垂线流速分布发生较大变化。水面比降射流段上游的比无射流的小,射流段及其下游比无射流的大,而全河段水面比降比无射流时增大。垂线流速分布在射流段及其下游附近发生根本的变化,有射流时,水面附近的流速比底部流速小,垂线平均流速一般小于无射流。上述这些特点与水槽流量和射流量有关,一般而言,水槽流量越大,射流量越大,这些变化越显著。     

“射流松动泥沙”的机理及工程应用试验研究：射流引起的非均匀流全河段比降

泥沙清淤技术及其基础研究需要不断发展，通过自制射流发生装置，在水槽中对充引起的非均匀波水面比降及垂线流束分布全河段地系统试验研究。由于射流的存在，水面比降及垂线流速分布发生较在同比降射流段上游的比无射流的小，充段及其下游比无射流的大，而全不面比降比元流时增大。垂线流速分布在射流段及其下游附近发生根本的变化，有射流时，水面附近的流速比底部流速小，垂线平均流速一般小于无射流。上述这些特点与水槽流量和射     

气膜孔径向角角度对冷却效率的影响

为了探讨在不同径向角下动量比和湍流度对圆柱形气膜孔流动和换热的影响规律,采用数值模拟方法,研究了涡轮叶片的冷却效率.结果表明:随着动量比的增大,二次流出口处高温区域逐渐偏离气膜孔出口叶片的下游区域,气膜孔出口二次流的影响范围变大;二次流径向角β越大,其自气膜孔出口流出后在叶片表面的轨迹偏斜程度就越大;在湍流度保持不变的情况下,随着动量比增加,冷却效率随着x/d值的增加在总体上呈现逐渐减小的趋势;随着湍流度的增大,冷却效率先增加后减小;在动量比I≤2时,冷却效率随着湍流的增大而减小;随着径向角的增大(0°～45°范围内),冷却效率逐渐降低.     

90°弯道明渠横向环流的大涡模拟研究

采用气液两相流大涡模型模拟90°弯道明渠水流的水力特性。使用有限体积法对控制方程进行离散;使用压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法求解速度与压力的耦合;采用了VOF(Volume of Fluid)法模拟自由水面。通过计算得到弯道处流速、压强系数、横向环流强度等水力参数的分布规律。分别比较弯道纵向流速与横向流速的模拟值与实验值,二者吻合较好。通过分析弯道环流的流态特征得出:因受重力作用与水流在流经弯道时发生的离心现象的影响,凸岸附近较凹岸存在较大的二次流强度的结果;凸岸与凹岸压强系数均沿程增大,当达到弯顶时,水面横比降达到最大值;弯道横向环流强度随弯道角度增大而逐渐增大,其最大值出现在明渠底部。     

高超声速流动中液滴蒸发对流动参数的影响研究

采用带有非平衡相变模型的数值方法对高超声速流动中液滴蒸发的影响进行了研究,重点探讨了液滴蒸发对斜激波下游区域流场和劈面参数的影响。研究结果表明:液滴在激波后区域的蒸发存在弛豫现象,蒸发弛豫过程与激波强度相关,并影响模型表面气动参数的均匀性;当偏转角从3°增大至16°时,研究发现特别是偏转角为10°时,激波强度刚好能使液滴在整个激波下游区域完全蒸发,此时蒸发引起的流场参数不均性影响最大,与不考虑蒸发时相比,液滴质量含量、压强、静温减小幅度分别达到27.2g/kg、401Pa、54K,该三项参数变化量的比分别达到96.8%、4.8%、14.2%。     

正方形排列四圆柱体绕流特性及互扰效应研究

基于计算流体动力学理论,运用大涡模拟方法对雷诺数Re=3900三维正方形排列四圆柱体结构群的绕流问题进行数值计算,主要分析来流攻角与间距比两个参数对四圆柱体结构群流体参数及流场模态的影响。结果表明:来流攻角与间距比均对四圆柱体结构群绕流特性有较强的影响;来流攻角θ=0°、22.5°、45°下,临界间距比分别为3.5、4.0、3.0;间距比的变化会导致下游圆柱表面压力系数分布发生改变;另一方面,间距比较小时,四圆柱体结构之间的互扰作用均以临近效应为主;随间距比增大,上游圆柱尾流对下游圆柱有显著影响,其互扰作用会转变尾激效应。     

沥青搅拌设备振动筛系统动力学分析及其参数影响研究

基于牛顿法建立了沥青搅拌设备振动筛系统的动力学模型,考虑了实际生产中的机械振动方向与支撑弹簧方向的不完全一致性和支撑轴承及筛板刚度对振动筛系统的影响。求解了不同激振器频率和安装倾角下,振动筛质心的振动位移变化情况。对振动筛进行稳态有限元数值分析,获得了振动筛不同位置测点的振幅分布,并探究了不同的振动方向角对振动筛振幅和应力的影响。结果表明,振动筛的振动幅值随激振器频率的增大而增大,亦随振动筛倾角的减小而增大;当振动方向角β在0°~90°范围内变化时,振动筛的主振幅和主应力都随着振动方向角β的增大而增大;在振动筛沿筛体长度方向上,进料口附近振幅大于出料口附近振幅。     

平流式沉淀池液固两相流力学特性的立面二维数值模拟

采用双流体模型,选取RNG k-?紊流模型封闭双流体两相流时均方程,对平流式二次沉淀池液固两相流力学特性进行立面二维数值模拟。采用有限体积法求解双流体微分方程;紊动能、紊动能耗散率方程均采用Quick离散格式;耦合求解速度与压力时使用了压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法。通过模拟表明:水流经过挡板后,底部是急剧扩散的主流,流速大,上部是回流;流速沿流程逐渐减小,到中部近似均匀流;出口附近水流收缩流出,流速变大。进水口附近紊动动能较大,而后紊动动能沿流程逐渐减小,在出水口附近,由于流速的增大紊动动能也随之增大。将模拟值与实测值进行了对比分析发现,流速的最大误差为10%,出口悬浮物相对浓度的最大误差为15%。这表明该模型能够较好地模拟沉淀池中的水力特性分布规律,对沉淀池的设计具有一定的参考价值。     

低速水流下不同截面形状质量块压电能量收集器的实验研究

本文设计了一种适用于低流速水流中的悬臂梁式压电能量收集器,利用明渠流弯道水槽对五种质量相同、截面形状不同质量块的压电能量收集器进行实验研究,通过改变水的流速,得到不同质量块能量收集器收集功率和频率随流速的变化规律并进行分析。结果表明：在实验流速范围内,各质量块均存在起振流速,当低于起振流速时,收集的均方根功率（RMS Power）约为零,超过起振流速后,收集功率随流速增加而改变;形状相似的质量块,起振流速较为接近,四棱柱的起振流速最低,圆柱次之,三棱柱的最大;质量块截面形状不同,能量收集器性能不同,其中以三棱柱（70°）的输出性能最好,在流速为0.54 m/s时收集到的最大功率为2.02mW,分别是圆柱、四棱柱（50）和三棱柱（60°）的1.06、2.58、1.36倍。本文的研究可以为类似压电能量收集器的设计提供借鉴。     

植被作用下的复式河槽流速分布特性

通过水槽试验,探讨了不同滩地植物 (乔木、灌木和野草) 对复式河槽流速分布的影响. 详细地介绍试验过程及三维流速仪ADV的测量原理. 试验时, 选塑料吸管、鸭毛和塑料大草分别模拟乔木、灌木和野草. 同时,考虑了流量、床面底坡对 流速分布的影响. 试验结果表明,滩地未种树的复式河槽在大的相对水深时,流速满足对数 分布;滩地种树后,主槽流速增大,流速分布复杂,滩地流速减小,呈 S 形分布,不同植物的S 形分布是不同的. 这种S 型分布将水流划分为3个区的复杂行为,每区的范围与水深,垂线位置和植物类型有关. 床面坡度对流速分布的影响非常明显     

不同入口流量二沉池非牛顿液体/固体两相模拟

采用数值模拟手段,在对模拟结果与现场测量结果验证的基础上,考虑二沉池混合液的流变性质、污泥回流比率等实际工况,以OpenFOAM开源流体力学代码为研究工具,针对不同入口流量下二沉池内固液两相动力学行为进行研究。结果表明:随着入口流量的增大,液相流速高值分布于入口区域并向污泥斗回流口区域波及,二沉池内液相流场结构由两层发展为三层;池内污泥浓度峰值不断提高,污泥层底部及污泥斗区域的污泥浓度高值区的面积不断扩大,出口及回流口污泥平均浓度增长幅度不断增大;二沉池上部的污泥沉降速度略微增大。     

Taylor补丁对新型动脉旁路移植流场影响的数值分析

为了研究Taylor补丁对新型(S型)动脉旁路移植术中吻合口处流场的影响,使用数值方法研究了采用Taylor补丁和未采用该补丁的两个S型旁路移植模型内流场的血流动力学差异. 对流速、壁面切应力和切应力梯度等参数进行了比较分析. 结果表明,Taylor补丁对吻合口的流场有显著影响. 采用Taylor补丁的模型其下游吻合口处的流场分布较未采用补丁的模型更均匀,二次流平均流速减小约34.48%,壁面切应力梯度减小约52.22%,从壁面切应力梯度方面分析,这将有助于改善血流动力学分布,抑制动脉粥样硬化. 但从壁面切应力值分析,其动脉底部的壁面低切应力区明显增大,平均壁面切应力值减小30.33%,这又将促使动脉粥样硬化. 因此,Taylor补丁是否对S型搭桥术具有治疗优越性,仅从血流动力学分析尚不能定论,配合数值计算结果进行动物和临床实验研究是十分必要的.      

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。     

蜿蜒边界下平面流的线性流动稳定性

为便于数值分析,蜿蜒河流水动力和演变模型中一般隐性假设二次时均流-二次涡的关系与明渠流时均流-明渠湍流的关系相同,但由于高雷诺数下的DNS算力限制和实验尺度限制,这种隐含假设是否成立目前尚无相关湍流研究来支撑.文章试图通过分析明渠湍流和二次湍流发展初期的研究,侧面揭示其湍流结构的异同.通过对曲线正交坐标系下的平面二维NS方程使用双参数摄动的方法,建立了一种求解蜿蜒边界弱非线性层流的摄动解法,并推导得出一个适用于蜿蜒边界的EOS方程以及其特征值问题的解法.蜿蜒边界下弱非线性层流解为一系列蜿蜒谐波分量的叠加,其中线性部分使得两壁产生流速差,非线性部分随着雷诺数增大呈指数增长.水流的扰动增长率特征谱的第一模态与直道流相似,由3条曲线、4个波段合成,但其长波段和短波段的扰动流场与直道流不同,所有短波段的扰动流速近似于KH涡.蜿蜒边界对内部水流扰动有一定的选择性.偏角幅值越大扰动增长越快;蜿蜒波数的影响则为先增后减,有一个使扰动增长最快的蜿蜒波数.扰动流场由一个典型的TS波和一对波包形式的二次涡叠加而成,波包只有纵向流速分量,包络线由蜿蜒波数控制,波包内是与直道扰动波参数相同的TS波.     

含软弱夹层炭质板岩单轴压缩力学行为模拟研究

为探究含软弱夹层炭质板岩的单轴强度特性,本文运用ABAQUS软件建立炭质板岩单轴压缩数值模型,分别研究了岩样含软弱夹层及其数量、软弱夹层倾角、端部约束对炭质板岩单轴抗压强度的影响规律。数值计算结果表明:含软弱夹层会降低炭质板岩单轴抗压强度,且随着软弱夹层数量增加,单轴抗压强度呈减小趋势;随着软弱夹层倾角逐渐增大,单轴抗压强度先减小后增大,呈"U形"分布,软弱夹层倾角为0°时得到的单轴抗压强度最大,软弱夹层倾角在接近60°时单轴抗压强度最小;以接触面的摩擦系数μ模拟端部约束,结果表明随摩擦系数μ增大,单轴抗压强度先增大后趋于平稳,且端部约束对水平软弱夹层影响最小,对倾斜角为45°的软弱夹层影响最大。     

局部狭窄血管中血液振荡流的速度和切应力

本文建立一种分析局部缓慢狭窄血管中血液振荡流的数学模型，给出了血液的轴向流速，径向流速和切应力的包含压力梯度项的解析表达式，并讨论了血管内由局部狭窄引起的压力梯度沿轴向变化的规律。文章以局部余弦狭窄为例进行数值计算，详细讨论上游均匀管段压力梯度的定常部分和不同次谐波对狭窄管段内流速和切应力的影响。数值结果表明，与均匀管情况相比，在狭窄段内，血液振荡流轴向流速无论平均值还是脉动幅值均明显增大，且径向流速不再为零。但径向流速仍远小于轴向流速。同时，切应力也不再仅由轴向流速梯度提供，径向流速梯度也将产生切应力，但是在计算管壁切向上的切应力时，径向流速梯度的贡献仍相当大。与均匀管管壁切应力沿流运方向保持恒定不同。狭窄管管壁切应力（平均值和脉动值）将随着狭窄高度的增大而增大，在狭窄最大高度处达到最大，因而沿流动方向产生了较大的切应力梯度。     

消能锥阀结构改进的三维数值模拟研究

对常规消能锥阀体型进行了改进,提出了一种新型的嵌套式消能锥阀.该新阀将原来通过阀体的一股环状射流变为两股互不平行的环状射流,通过这两股高速水流在阀口的碰撞提高消能率、改善流态.采用可压缩的两相流模型,辅以Realizable k–ε湍流模型来模拟锥阀附近水流的水力特性,对于自由水面的处理采用了VOF法,并进行压强场和流速场及消能情况的对比分析.结果显示:在上游进口端控制断面的水流流量相同的情况下使用嵌套式消能锥阀,阀前进水管道的压强可由原来的25kPa减小到15kPa,减小了40%;阀体所承受的压力由35kPa减小到10kPa,减小了57%;下游管道中水流落点之后的沿程断面平均流速减小了约0.1m/s.在上游进口端具有相同的总水头的情况下,嵌套式消能锥阀对流速水头及压强水头的消能能力都要比使用常规消能锥阀好.