潮流数值模拟中紊动粘性系数的研究

从流体运动基本方程出发 ,对Boussinesq假设的合理性进行了初步探讨 ,阐述了紊动粘性系数的物理含义及其在数值计算中所起的作用 .就一内设正交丁坝的半封闭海域中的平面紊动粘性系数对二维潮流数值计算结果的影响进行了讨论 .结果表明 ,平面紊动粘性系数对潮位和平均流速的影响较小 ;随着紊动粘性系数的增加 ,丁坝背流侧回流的强度和影响范围均明显增大 .就风生流和环岛水流两个理论算例中的垂向紊动粘性系数对三维潮流数值计算结果的影响进行了讨论 .结果表明 ,垂向紊动粘性系数越大 ,流速分层越不明显 ,流速的绝对值也越小 ;垂向紊动粘性系数的梯度变化则对水平流速的垂向分布起着决定性的作用 .综合理论分析和数值试验的成果 ,垂向紊动粘性系数宜采用抛物线分布的结构型式 .

高含沙水流的紊动粘性系数研究及其应用

基于张红武的“紊流涡团模式”和采用高精度的流速垂向分布表达式,建立起高含沙水流的紊动粘性系数计算公式。应用此公式计算泥沙连续性方程中的泥沙扩散系数,得到了与测试资料相符合的含沙量垂线分布规律;进一步,将建立起的紊动粘性系数计算公式应用于黄河下游平面二维泥沙数学模型中,以封闭水沙控制方程,并选择1982年洪水和花园口至夹河滩河段开展数值仿真,计算出的洪水流量过程、水位过程及主流线等与实测资料基本一致。应用结果表明本研究中所建立的紊动粘性系数计算公式可用于高含沙水流的理论分析和模拟计算中。

河道断面突变对污染物紊动扩散影响的数值模拟研究

在河道上修建小水电,河道断面突变改变了河道水流的紊动状态和过流特性,对污染物的对流扩散造成影响,污染物可能在局部累积,造成富营养化等水质问题。采用平面二维的紊流扩散模型模拟研究河道断面突变对污染物对流扩散的影响。最后,提出了减小河道断面突变的对污染物对流扩散影响的建议。

不可压缩流体后台阶紊流特性的计算与分析

后台阶紊流是一种几何形式简单,但含有复杂紊流结构的流动,利用RNGκ-ε模型计算分析后台阶紊流特性。选取雷诺数Re为2000、5000、10000、20000四种紊流工况进行模拟,比较分析了紊动能、紊动能耗散率、紊动强度、紊动粘性系数等反映紊流特性的参数。结果表明,紊动能、耗散率、紊动强度随雷诺数的增大而增大,受后台阶流动分离区的影响各参数呈现一定的断面分布特征,据此重点探讨了紊动粘性系数与紊动强度、速度梯度等参数之间的内在关系,提出了紊动粘性系数计算公式的改进形式,这对于研究创新紊流模型具有促进作用。

明渠交汇水流阻力对平面二维数值模拟的影响

与顺直明渠水流相比,明渠交汇水流由于存在分离区和自由剪切面,其紊动特性引起的阻力较为复杂,交汇水流除床面阻力外还受到较强的阻力。基于数值模拟与实验比较分析表明,分离流与自由剪切流所产生的阻力(紊动粘性阻力)对于交汇水流数值模拟具有重要影响。同时,由于平面二维模型对二次流影响的忽略,断面环流较强时数值模拟会产生较大的阻力(环流阻力),而断面环流较弱时,交汇水流的三维特性相对较弱,采用平面二维模型和k-ε紊流模型能达到较好的模拟效果。因此,紊动及环流阻力的计算对交汇水流数值模拟的精度至关重要。

波浪在潜堤上破碎的数值分析

为模拟潜堤上的波浪破碎,在高阶Boussinesq方程中引入二阶紊动粘性项,建立了考虑波浪破碎的Boussinesq数值模型。在非交错网格下利用预报—校正的有限差分法求解控制方程,其中预报采用了三阶Adams-Bashforth格式和校正采用四阶Adams-Moulton格式。利用数值模型,通过数值试验,再现了波浪在不同坡度的潜堤上破碎演变过程。首先通过一组地形,将计算波面的时间历程与实验结果进行了对比,讨论和分析了二阶紊动粘性项中启动破碎的参数对数值计算结果的影响,给出模拟该问题时最优参数取值,进而通过其他两组地形的数值计算结果验证参数取值的合理性。

潜堤上破碎波浪传播变形的数值模型及其验证

为模拟潜堤上破碎波浪传播时产生能量的耗散这一特性,在改进的具有四阶色散的Boussinesq水波方程中引入二阶紊动粘性项,建立了考虑波浪破碎的水波数学模型。在非交错网格下建立了有限差分数值模型,并利用三阶Adams-Bashforth格式预报、四阶Adams-Mouton格式校正对数值模型进行求解。通过数值试验,模拟了不同坡度的潜堤上破碎波浪传播变形,并将数值计算波面时间历程与实验结果进行了比较,二者基本吻合,这说明在四阶Boussinesq水波模型中引入二阶粘性项来考虑波浪破碎引起能量耗散的做法是有效的。

浅水立波底部附近悬沙含量的二维分布

本文应用卡门理论得到浅水立波紊动粘性系数的计算式,再由此求出浅水立渡底部附近悬沙含量的二维解答,与Hattori的半经验结果符合良好。