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。     

汇流比和入汇角对明渠交汇水流特性影响的对比研究

为探究汇流比与入汇角对明渠交汇水流水力特性影响的区别,首先通过45°明渠交汇水槽的试验研究了不同汇流比工况下交汇区的水流特性;然后采用RNG k-ε模型模拟交汇区水流的湍流流动;佐以标准壁面函数法处理近壁低雷诺数区域,对明渠交汇水流进行了数值模拟,并结合45°明渠交汇水槽试验对数值模型进行了率定。模拟结果显示,分离区的尺寸随着汇流比和入汇角的增大而增大。汇流比和入汇角对于交汇区流速分布影响的区别在于:汇流比变化对下游远处流速分布的影响较大,对入汇口附近断面的影响并不明显;而入汇角变化会对入汇口附近及其下游较远的区域造成较大影响。随着汇流比的增大,入汇口下游区域的流速不均匀程度也在增加;而随着入汇角的增大,流场的不均匀系数呈先增加后减小的趋势。     

有限尾水深波浪底板壁面射流水力特性的数值模拟研究

采用VOF(Volume of Fluid)方法追踪自由液面,辅以Realizable(可实现化)κ-ε湍流模型封闭两相流时均方程,对有限尾水深波浪底板壁面射流水力特性进行了数值模拟。微分方程的离散采用有限体积法,速度与压力耦合求解使用了压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法。分析了入射速度和底板粗糙度对流场流线分布、横断面最大流速沿程衰减规律、底板压强分布规律等水力特性的影响。研究发现:流场内存在两个大的漩涡,而且波浪底板凹面附近存在有小的漩涡;入射流速越大,横断面最大流速沿程衰减梯度越大;波浪底板上的压强也呈波状分布,且压强大小主要受入射流速和底板粗糙度两个因素的影响。     

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...     

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。     

搅拌槽流场特性的大涡模拟研究

采用大涡模型结合气液两相流时均方程,对六直叶圆盘涡轮搅拌槽内的流场特性进行了数值模拟。自由水面的捕捉用VOF(Volume of Fluid)法,用Simplec方法求解控制方程。通过模拟得到了搅拌槽内复杂的双涡旋流场结构、转轮叶端尾涡的发展变化情况以及轴向流速的分布规律。通过对比大涡模拟与RNGκ-ε的计算结果,得知大涡模型能模拟出流场内瞬时旋涡的发展变化过程,反映出挡板的存在破坏了圆形搅拌槽的流通模式,提高了叶片附近的混合效率;桨叶区域湍流呈现明显的各向异性,时均流速存在明显的波动性。从而证明了用大涡模拟探讨搅拌槽内湍流现象及流场结构的可靠性。     

氧化沟推流转轮速度对水流回流长度影响的数值模拟研究

氧化沟水下推流转轮是氧化沟中水流运动最主要的动力来源,转轮转速的大小对沟道内水流的流速以及流场结构有着重要的影响。在本文中湍流模型选用Realizable k-ε模型,并结合气液两相流模型,对氧化沟水力特性进行三维数值模拟,研究了转轮转速大小对氧化沟内直道段回流长度的影响。压力与速度的耦合采用SIMPLE算法,模拟自由水面采用了VOF(volume of fluid)法,采用了量纲分析法得到了在单一量变化时回流区长度与转速之间的关系式,并用数值模拟结果确定了各系数。该成果可为氧化沟工艺的运行与设计提供依据。     

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。     

Carrousel氧化沟固-液两相水力特性数值模拟

为研究氧化沟内的固-液两相流,本文采用数值计算的方法,以典型的四沟道Carrousel氧化沟为研究对象,通过将污泥沉降速率模型与两相湍流混合物模型耦合,建立了氧化沟固-液两相湍流混合物模型,从而实现了垂向上固-液两相的分离。模拟结果显示:氧化沟内的污泥浓度变化趋势总体呈现出与水流流速变化趋势相反的分布规律,即越接近沟底,污泥浓度越大,流速越小;越接近水面,污泥浓度越小,流速越大。此外,在大弯道处,形成弯道环流,造成了外弯道的冲刷和内弯道的淤积,大弯道内壁处的污泥浓度整体高于弯道外壁处。本研究结果对实际工程中防止或减少沟内污泥沉积,提高氧化沟污水处理效率有一定的指导意义。     

颗粒在大涡结构中的弥散

气相采用大涡模拟方法,颗粒相采用轨道模型研究了三维后台阶气粒两相湍流流动的大尺度涡结构的瞬时演变过程以及颗粒的瞬时弥散规律.比较了不同入流速度的颗粒在大涡结构中的瞬时弥散特性,尤其研究了高速释放大颗粒的弥散特性.三维流动中大尺度涡结构具有明显的脱离、发展、合并和破碎过程.小颗粒的分布受大涡结构的控制,其空间的弥散过程与流体 大涡结构的空间发展相一致,但是由于三维流动中大涡边缘和中心区的压力差,颗粒在大尺度 涡的边缘出现密集.而大颗粒在流场中的分布受其惯性控制,对气相的涡结构不敏感.高速释放到流场中的大颗粒受惯性影响最大,保持在其原有动量方向上运动.     

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。     

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。     

锥阀附近水力特性的三维数值模拟研究

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的水流水力特性,对于自由水面的处理采用了VOF法。通过对计算的压力场以及流线的分析,指出锥阀在水力消能中的作用。数值模拟结果与试验资料的比较分析表明两者吻合较好,从而验证了该模型在锥阀湍流模拟中的可靠性。     

节水水嘴起泡器气液两相流数值模拟

为了研究节水水嘴起泡器内部两相流的流动规律,采用Fluent软件对其内部流场进行数值模拟.根据起泡器内部流场的流动特性,采用欧拉两相流模型以及RNG(re—normalization group)κ-ε湍流模型,分析起泡器出口截面气液两相体积分数和速度的分布特点.结果表明:增大入口水流速度可以加快分散出口截面气液两相的分布,缩短流体流动的稳定时间;整流网具有分散流体,降低流速的作用;错开整流网相邻层之间的网格可以改善出口截面的液相分布;本模型中整流网采用三层网格达到较好的出水效果.     

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.      

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...     

稀疏两相湍流的惯性颗粒倾向性弥散

气相采用大涡模拟、颗粒相采用拉格朗日轨道模型的方法对后台阶突扩流、充分发展槽道流和圆湍射流3种典型的稀疏气固两相流动进行了数值模拟,研究了颗粒倾向性弥散的特征和规律. 研究表明颗粒的跟随性和倾向性相联系,颗粒惯性和大涡结构同时决定颗粒的倾向性分布特征. Stokes数量级为1(气相时间参考尺度取为宏观特征时间尺度)左右的颗粒,倾向性分布特征最强烈. 颗粒倾向分布于低涡量(或是低脉动速度)的湍流区域.      

环空后台阶管道内气固两相流动的数值模拟研究

环空管道后台阶突扩流动是空气正循环钻井过程中十分重要的关键部分,直接决定了钻探岩屑是否能够顺利上返地面.本文采用Euler-Lagrange两相流研究方法,气相湍流采用Realizable k-ε模型,固相采用离散相模型(DPM),固相的湍流耗散采用随机轨道模型,对环空后台阶突扩管道内气固两相流动进行了数值模拟研究.得出了气相场大涡演变规律,在此基础上研究了不同粒径时颗粒在流道中的浓度分布规律、运动轨迹,以及速度场分布规律.这为细观框架下研究气固两相相互作用规律提供了依据.     

细颗粒泥沙净冲刷和输移的大涡模拟研究

在传统水沙输移数值模拟研究中一般采用雷诺时均模拟技术(Reynolds-averaged simulation,RANS).与RANS相比,大涡模拟技术(large eddy simulation,LES)能够更加精确反映细部流动结构,计算机的发展使得采用LES探讨水流和泥沙运动规律成为可能.本文尝试给出净冲刷条件下悬沙计算的边界条件,采用动态亚格子模式对循环槽道和长槽道中的水流运动和泥沙输移进行了三维大涡模拟研究.利用直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS)结果对LES模型进行了率定,计算结果符合良好,在此基础上初步探讨了泥沙浓度、湍动强度和湍动通量等的分布特征.结果表明,净冲刷条件下输沙平衡时泥沙浓度符合Rouse公式分布,单向流动中泥沙浓度沿着流向逐渐增大.泥沙浓度湍动强度和湍动通量都在近底部达到最大值,沿着垂向迅速减小.湍动黏性系数和扩散系数基本上在水深中间处达到最大.湍动Schmidt数沿着水深方向不是常数,在近底部和自由水面附近较大,在水深中间处较小.