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。     

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。     

辐流式沉淀池固液两相流力学特性数值模拟研究

利用Fluent软件,数值求解Mixture多相流模型,模拟了辐流式沉淀池内固液两相混合流场的水力特性。分析了辐流式沉淀池内污泥浓度场和流线分布随时间的变化,以及沉淀池内不同位置横断面上横向流速和纵向流速的分布规律。模拟结果表明:沉淀池内流线分布形式随时间变化较大,污泥浓度随时间的变化基本稳定;不同位置横断面上流速分布规律不同,越靠近挡板的位置,横断面的流速沿水深方向变化梯度越大,说明流场紊动较强;到沉淀池后部,横断面上流速分布较均匀,沿水深方向变化梯度也较小。     

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。     

掺气分流墩墩头的动水压强特性研究

对掺气分流墩墩头的动水压强特性进行了试验研究,以求了解墩头的抗空蚀性能及动水压强特性。试验结果得出：时均压强P／Pman沿墩高和Cp沿横断面的分布规律;墩头轴线与来流有夹角时Cp沿横断面的分布规律;墩头壁压脉动压强特性,在墩后充分供气时,墩头的空化特性。     

含颗粒污染物的油液均质流的数值分析

含颗粒污染物的油液是浓度很稀、粒径极小的伪均质流,为了掌握颗粒污染物在输送过程中的浓度分布,利用一维扩散方程构建了污染油液的数学模型;通过特征线法数值求解,获得了污染油液中各相的动态特征。结果表明,油液压力和速度沿管长呈脉动规律运动,且随着时间的延长逐渐衰减;颗粒污染物对油液速度具有极好的跟随特性;颗粒污染物的浓度分布也随着油液流速的变化而呈现规律性的变化;在不同运行时间内油液压力沿管长的衰减趋势不同,油液速度沿管长的变化趋势与压力的趋势相反;颗粒污染物速度和浓度分布沿管长与油液速度具有紧密的联系。     

孤立波斜坡堤堤顶及后坡越浪流数值分析

孤立波往往被用来模拟海啸等浅水大波.运用基于RANS方程、VOF方法以及Goring造波方法建立了二维数值波浪水槽,进行了孤立波在简单斜坡堤上越浪过程的数值模拟.通过数值模拟,研究了不同相对堤顶宽及不同相对波高条件下对孤立波越堤流基本特征,包括堤顶前缘水层厚度及速度、堤顶末端水层厚度及速度、堤顶流厚度及速度沿程分布、后坡流厚度及速度沿程分布.依据数值实验结果,建立了堤顶流最大厚度分布及最大速度分布的经验公式.计算结果表明,堤顶流厚度沿程减小,而堤顶流速度则沿程增大;后坡流厚度先增大,随后再沿程缓慢减小;后坡流速度先减小,随后再沿程缓慢增大.     

辐流式沉淀池出口位置优化数值模拟研究

数值求解MIXTURE多相流模型,辅以Realizable K-ε湍流模型封闭时均流方程,研究了不同的出口位置对辐流式沉淀池水力特性的影响.自由水面的捕捉采用VOF(Volume of Fluid)方法,速度与压力耦合求解时使用压力隐式算子分裂(PISO)算法.模拟结果表明:改变出口位置对辐流式沉淀池内的流线分布和流速...     

梯形断面明渠丁坝绕流水力特性三维数值模拟

采用两相流混合模型,并选取RNG k-ε湍流模型封闭两相流时均方程,对梯型断面明渠非淹没式丁坝绕流水力特性进行了三维数值模拟。采用有限体积法离散计算区域,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,模拟自由水面时采用了VOF(Volume of Fluid)法。对丁坝后不同的回流长度进行了分析比较,并将模拟结果与实测资料进行了对比验证,结果表明两者吻合较好,相对误差小于8%,说明该模型能够很好地模拟明渠丁坝绕流的水力特性分布规律。     

模拟不同节理粗糙度对单裂隙渗流的影响

在研究岩体裂隙间的渗流特性时,节理粗糙度会影响裂隙水流的渗流特性和路径,因此需要对粗糙表面进行恰当的描述。本文选取伸长率、最大起伏高度、最大起伏角和分维数4个参数刻画粗糙度。结合分维数的计算方法,选择当最大起伏高度为2.5mm、节理宽度为5mm时,随机生成4组直线和曲线节理边界。建立二维模型模拟发现,最大起伏角、伸长率和分维数是影响水流流速分布的敏感因素。在节理最高起伏处的下边界,流速值最大。此外,粗糙度的方向性对渗流影响较大。同等节理条件下,可发现沿水流方向,最大起伏高度的位置越靠后,越能抑制最大流速值,从而减小渗流破坏。最后,根据规则锯齿状的节理试验分析表明,在外力条件下,渗流量一定时,节理通道一旦发生改变,内部形成的漩涡便与水流的有效路径呈现负相关关系。     

纳米柱绕流的分子动力学模拟分析

采用分子动力学方法,对不同雷诺数的纳米柱绕流问题进行模拟.统计及对比结果表明,在微观尺度下的纳米圆柱绕流的流场与宏观的圆柱绕流类似,但又具有自己的特点.雷诺数为16.2时,圆柱后会持续的周期性产生漩涡并脱落,类似宏观现象中的卡门涡街;而雷诺数为5.4时的圆柱后面没有出现漩涡.流场中圆柱表面存在速度滑移,说明无滑移不是产生漩涡的必要条件.圆柱前后会分别形成高压区和低压区,压强差的大小与来流速度有关.流场中存在顺压强梯度和逆压强梯度,顺压强梯度使圆柱上下两边区域流速超过来流速度,而逆压强梯度则会减小流速甚至使流场中出现回流.流场中密度最小处分布在圆柱右上和右下附近而不是圆柱的正后方.     

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.     

圆管流动水击压力波测量及水力计算

为探索水击现象的物理过程和机理,研制了自循环定常流动管路瞬态特性计算机控制试验装置,并利用该装置进行圆管流动水击压力波实验测量。用12只扩散硅压力传感器测定圆管流动水击压力波瞬态分布及最大、最小压力值,由试验数据拟合出水击波波形,揭示了水击压力波传播方式、特性及衰减规律。通过分析随机捕捉测量技术方法,理论上推断出测量数据达到可信精度。在归纳分析试验数据基础上,得出最大压力随关阀时间的关系曲线,对圆管流动直接水击等概念进行了探讨,用数值分析方法拟合出水击最大压力水力计算修正方程式。     

搅拌槽内气液流动大涡数值模拟研究

为优化搅拌槽体型设计、提高搅拌效率,分别利用气液两相大涡模型和标准k-ε紊流模型,结合多参考系法,对搅拌槽内的气液混合过程进行了模拟计算;控制方程的离散使用了有限体积法;速度与压力耦合求解时使用了压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法;模拟自由水面采用了VOF(Volume of Fluid)法;通过计算得到了搅拌槽在相同通气率、不同转轮转速下的气液流动速度场以及不同截面含气率的分布规律。比较两种模型,模拟结果表明:叶片旋转区域紊流的各向异性随着转速的增加而明显加强;基于各向同性假设的标准k-ε紊流模型不能描述流体流速的波动变化,而大涡模拟能够捕捉叶片附近区域流场的分布规律;在通气率一定的情况下,转轮转速的大小对下叶轮附近区域的含气率影响较小,而对上叶轮附近区域含气率的影响较大。     

等壁温加热微通道内气体流动换热特性的直接蒙特卡罗模拟

用直接模拟蒙特卡罗方法对压力边界条件下气体在微通道内的流动换热特性进行了研究,给出了壁面与来流存在温差时的沿程速度分布特点,以及在可压缩性与换热条件综合作用下的温度分布特点。研究结果表明:微通道内气体可压缩性作用显著,温度分布由可压缩性和换热强度的相对强弱综合决定;壁面与来流存在温差时气体沿程速度分布型线在入口段内上凸;壁温高于来流温度时,气流速度与等温流动工况下的速度的相对大小与气体稀薄性有关。     

由邻近爆炸引起的岩洞振动规律

本文对一个有空腔耦合的爆炸多次试验结果进行了总结。重点叙述了地下岩洞运动参数(加速度、速度、位移)的衰减规律及沿空腔断面分布特征。给出了可供工程应用参考的衰减指数。     

波浪扰动下河口幂律异重流的动力场分布特性

河口底层浮泥异重流的运动特性对于河口维持以及港口航道泥沙淤积过程具有重要的作用, 是海岸学科研究的关键内容, 也是热点内容之一. 本文首先综述了河口泥沙异重流研究的重要意义, 分析并总结了各家异重流理论模型的不同点和适应条件; 其次, 根据本文研究问题的实际需要, 构建了波浪与底泥相互作用的双层流体理论分析模式, 将上层流体简化为常见的牛顿体, 而将下层流体的流变关系设置为幂律函数, 研究了波浪作用下河口底部幂律异重流的流场特性. 这些特性包括:波浪速度场、底泥运动的流速场、不同密度影响下的压力场以及异重流泥面波与表面 波的波幅比等, 分析了泥层密度、波动圆频率以及底泥幂律指数对流场及界面波的影响. 研究发现, 在波浪扰动下, 两层流体交界处速度分量连续, 压强出现突变. 在下部泥层中, 水平速度幅值曲线存在极大值. 随着波动圆频率增加以及泥层密度与流动指数的减小, 界面处上下压强差值呈现增大的趋势. 本模型与实测波幅比的数据进行对比结果证实了模型的合理性.      

N80钢CO2腐蚀产物膜在水/砂两相流介质中的磨损性能

采用高温高压静态釜对N80油套钢在CO2中的腐蚀行为进行了模拟腐蚀试验;利用自制的磨损试验装置对比分析了腐蚀产物膜在水/砂两相介质中的磨损性能同成膜温度、CO2压力、流速及砂粒度之间的关系;用扫描电子显微镜分析了N80钢表面CO2腐蚀产物膜及其磨损表面形貌,用表面形貌仪测定了磨损试验前钢表面CO2腐蚀产物膜的粗糙度.结果表明:成膜温度和压力对钢表面腐蚀产物膜的表面粗糙度具有显著影响;N80钢表面CO2腐蚀产物膜磨损表面形貌沿深度方向存在差异,对应的抗磨性能亦有所不同;两相介质中的砂粒度越大或流体相对流速越大,则腐蚀膜的磨损越剧烈.     

波浪扰动下河口幂律异重流的动力场分布特性

河口底层浮泥异重流的运动特性对于河口维持以及港口航道泥沙淤积过程具有重要的作用,是海岸学科研究的关键内容,也是热点内容之一.本文首先综述了河口泥沙异重流研究的重要意义,分析并总结了各家异重流理论模型的不同点和适应条件;其次,根据本文研究问题的实际需要,构建了波浪与底泥相互作用的双层流体理论分析模式,将上层流体简化为常见的牛顿体,而将下层流体的流变关系设置为幂律函数,研究了波浪作用下河口底部幂律异重流的流场特性.这些特性包括:波浪速度场、底泥运动的流速场、不同密度影响下的压力场以及异重流泥面波与表面波的波幅比等,分析了泥层密度、波动圆频率以及底泥幂律指数对流场及界面波的影响.研究发现,在波浪扰动下,两层流体交界处速度分量连续,压强出现突变.在下部泥层中,水平速度幅值曲线存在极大值.随着波动圆频率增加以及泥层密度与流动指数的减小,界面处上下压强差值呈现增大的趋势.本模型与实测波幅比的数据进行对比结果证实了模型的合理性.     

卡鲁塞尔氧化沟反应器三维流场体视PIV测量

采用体视PIV(Stereoscopic PIV)技术对卡鲁塞尔氧化沟模型直道、弯道及曝气叶轮段等处三维全场流速进行测量,克服了传统接触式点测量方法无法获取全场流动同步信息的缺陷,分析了不同位置处的流动结构,并对纵、横、垂三向流速沿程分布特点进行了研究和比较.结果表明,纵、垂两向的流动分布是决定沟内水力特性的主要因素;横、垂两向的流动是决定污泥沉积位置的主要因素;外沟靠近曝气叶轮直道段的流速分布上大下小,使低速区底部易发生污泥沉积;外沟远离曝气叶轮直道段流速分布上小下大,利于防止泥水分离;弯道段受横比降和横向环流的影响使内侧容易形成低速区或停滞区而发生污泥沉积;倒伞型叶轮使其附近流场在垂向呈螺旋形分布,利于气、液、固三相的均匀混合.