基于大涡模型的床面形态与水流相互作用过程模拟研究

为判断动床弯道中二次流和涡结构模型的模拟精度,基于Barbhuiya的90°水平弯道冲刷水槽试验,比较了大涡模型(LES)和RNG k-ε模型对弯道冲淤过程中床面形态模拟的精确程度,发现LES模型结果更加精确。基于LES模型模拟结果,通过使用Q准则识别二次流产生的底部涡结构,分析了涡结构对床面冲刷淤积的定量影响。结果表明:在清水冲刷动床弯道的过程中,Q值介于30~50之间时底部涡趋于稳定存在,Q值大于50时会明显影响床面冲淤;强大稳定的涡结构会使床面形态逐渐稳定,床面冲刷和淤积速率趋于一个定值,床面冲刷和淤积速率不超过2×10^(-6)m/s。进一步分析弯道内剪切流速与床面形态的关系,发现弯道内存在两类高剪切流速区域,当第一类区域剪切流速值大于第二类时,床面会出现深度大于0.10 m的明显冲刷坑。研究结果可为弯道中冲淤平衡和床面形态模拟提供参考。

基于RNG湍流模型的双向泵站出水流道流动计算

低扬程双向流道泵站是我国独创的泵站型式,为深入了解其流道内流场特性,首次运用基于壁面律的RNGk ε的湍流模型对流道进行数值模拟。计算采用交错网格的有限体积法求解三维不可压Navier Stokes方程。提出优化出水流道的目标函数,并依据数值模拟结果,预测出水流道水力损失。根据经验公式计算的水力损失和预测的出水流道水力损失两者较为接近,表明通过采用基于壁面律的RNG湍流模型能较好地预测出水流道的水力性能。考虑壁面律的RNG湍流模型在泵站流道内特性数值模拟和外特性预测研究方面有较好的推广价值。

采用RNG紊流模型计算静止环境中圆形负浮力射流

基于RNG方法的k ε湍流模型,运用混合有限分析算法对静止环境中圆形负浮力射流进行数值模拟。从射流的最大入侵高度、流速矢量图、温度等值线、湍动能等值线、横断面上的流速和温度分布以及轴线上温度变化等方面与有效的试验资料进行了较为全面的对比验证。两者的良好吻合表明,基于RNG方法的紊流模型和混合有限分析法的结合能较好地模拟变密度流动。

用RNGk-ε模型计算内燃机缸内湍流流动

应用快速畸变假设对 RNG k-ε湍流模型进行压缩性修正后 ,将其应用于内燃机缸内湍流流动的数值模拟 ,计算采用任意拉格朗日 -欧拉法。给出了用 RNG k-ε模型算得的结果 ,并与标准的 k-ε模型算得的结果和实验结果进行了对比。结果表明 ,用 RNG k-ε湍流模型算得的结果比 k-ε模型算得的结果有所改进 。

广义RNG湍流模型对柴油机低温燃烧预测的影响

基于湍流快速畸变理论和各向同性湍流的衰减分析,提出了一种广义RNG湍流模型,该模型的主要物理特征是其模型系数均被模拟为局部流场应变率张量的函数。为了考察广义RNG湍流模型对发动机缸内复杂化学反应流预测的影响,将该模型应用于一款采用部分预混压缩着火控制的低温燃烧直喷柴油机的缸内燃烧计算中。计算得到的柴油机缸内油气混合、燃烧放热和未燃碳氢排放物的生成及其发展历程与标准RNG模型的预测结果和实验结果进行了对比。结果表明:广义RNG模型预测的缸内UHC及其空间分布与实验结果吻合的更好。

用RNGk-ε模型数值模拟喷旋分解炉内的湍流流动

(武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室,湖北武汉430070)摘要:采用重整化群双方程模型对喷旋结合型分解炉内湍流流动进行了数值模拟,与现场结果相比较分析了炉内气体的运动和湍流特性的规律和特点。研究表明:由于分解炉的下部缩口区域的存在,气流经过此区域时流动面积突增,成喷射状。在带有旋流三次风与窑尾烟气共同作用下,在三次风进口相对的一侧出现高速区(其最高速度达到35.34m/s),同时在分解炉三次风进口一侧的下锥体上部和柱体附近沿壁面处出现负的速度分布,形成环状涡流区。

基于RNG k-ε湍流模型的串列双矩形截面桥墩绕流流场特性研究

串列双矩形截面桥墩在桥梁工程中应用广泛,桥墩间距对其绕流流场特性影响显著。利用Fluent软件,基于RNG k-?湍流模型对单矩形截面桥墩、串列双矩形截面桥墩绕流非稳态瞬时流场进行数值求解,从涡量、流线、压力及横向流速等多方面,研究了不同桥墩间距工况下(L/W=2、4、6)串列双矩形桥墩绕流流场分布特征。结果表明,与单矩形桥墩相比,串列双矩形桥墩绕流流动更复杂,尾流涡体及流线弯曲区横向分布范围更广;两桥墩剪切层的生成、分离和重附受桥墩间距影响,当L/W≥4时上游桥墩尾流出现涡体的生成与脱落,桥墩间形成流线弯曲区、压力增高区和压力降低区,下游桥墩尾流形成多个压力降低区。矩形桥墩尾流横向流速呈正负交替波动,与单桥墩单一且对称分布的流速波形图相比,双矩形桥墩横向流速波形图不再对称分布;桥墩间横向流速峰值随间距增大而降低,桥墩两侧区域横向流速波动峰值较单桥墩增大,且距离桥墩中心线越远波动峰值越低。研究结果可为桥墩布设提供参考。

三维紊流模型在丁坝水流中的应用研究

基于RNG紊流模型,采用VOF法、空度法和璧面函数法分别处理自由面、不规则边界和壁边界,对丁坝附近的水流进行了模拟和研究。采用先进的瞬时流场测量仪器——PIV来测量丁坝的局部平面和剖面流场,对建立的模型进行了验证。模型计算结果与水槽试验和他人试验资料吻合较好,表明模型能够模拟多种情况下的丁坝流动规律及自由面变化。

不同湍流模型在旋风分离器三维数值模拟中的应用和比较

采用标准κ-ε模型,RNGκ-ε模型和RSM(SSG)模型,对气—固旋风分离器中的单相湍流流场进行数值模拟计算。旋风分离器网格划分采用分块划分技术,每一块采用贴体坐标划分网格,计算结果同试验比较,三种模型中以RSM模型的预报结果最为合理,对切向速度分布的涡结构给出了合理的预报结果,同时给出了雷诺应力的各向异性特性,但同实验值仍有一定的差别,分析认为同湍流模型本身的原因外,与入口边界条件的选取和网格划分的多少有一定的关系。

三维模型在台阶式溢洪道台阶段优化中的应用

采用VOF方法,结合RNGκ-ε紊流模型和单向流体自由追踪界面对台阶式溢洪道台阶段进行三维数值模拟。通过调整台阶式溢洪道平面布置、台阶级数和台阶尺寸对大华水库坝面溢洪道原设计方案进行优化。结合水工模型试验,分析比较原设计方案与优化方案台阶段水力特性,采用31级台阶、45级台阶、62级台阶三种优化体形后消能率增大,不设过渡段则流速最大值减小,流速最大值均不超过15 m/s。数值模拟计算值与水工模型实测值吻合较好,进一步表明VOF方法适用于台阶式溢洪道台阶段水流流动的三维模拟。

基于湍流模型数值模拟的梯形弯道水流特性研究

输水明渠弯道段因壁面条件改变,水流运动紊乱,严重威胁输水安全。为研究输水明渠弯道内水流特性,基于RNGκ-ε湍流模型建立弯曲度为15°、45°、60°、90°的梯形断面弯道模型,利用PISO算法求解方程组,进行弯道水流三维数值模拟。结果表明,弯道对渠道内流场影响范围包括弯道及下游较长区间;随弯曲度增加,凹岸最大水面超高断面有前移趋势,但对最大超高值影响较小;水流在渠底的速度远小于上层水流速度,z/H=0.7处为最大流速水深;弯道内流速与壅水现象有关,壅水区对应流速小,落水区对应流速大;弯道内的壁面压强主要来自水体自重。

桥墩对下游河道整治建筑物冲刷的影响

河道整治结构通常用于改善河流稳定性和生态条件,并保护上游河道内基础设施免受冲刷和侵蚀。淹没堰是一种典型的河道整治结构,通常建在桥梁下游,用于河道坡度控制。溢出堰的水流会造成局部冲刷,破坏建筑物和河道的稳定性。因此,准确估计冲刷并了解上游桥墩对淹没堰局部冲刷的影响对于结构安全设计非常重要。对调节桥墩及淹没堰的距离L进行研究。研究中,在沉积物循环水槽中使用中值粒径d_(50)=0.85mm的均匀粗砂进行了56次实验。对于清水冲刷,实验表明桥墩冲刷过程在淹没堰上游产生冲刷和填充过程,上游桥墩还可以通过两种机制影响淹没堰下游的冲刷:①上游泥沙补充;②过流断面收缩。机制①和②可分别减少和增加淹没堰处的下游清水冲刷深度。对于动床冲刷,上游桥墩可分别减少和增加淹没堰影响上游和下游的冲刷深度。根据试验数据,评估淹没堰处冲刷深度与桥墩、淹没堰二者距离L之间的关系。

旋流竖井输水洞在滇中引水二期工程中的应用

为验证滇中引水二期工程石屏干线金山坡旋流竖井输水洞设计,在开展模型实验前,通过数值模拟手段,利用RNGκ-ε湍流模型及VOF两相流模型,对设计方案进行水流三维数值模拟分析。结果表明,在不同设计工况下,旋流竖井内过流能力均满足设计泄流要求;旋流空腔流态稳定,下游输水洞内水流平稳;旋流竖井内最大流速178m/s,最大压强70kPa,最高消能率75%,消能效果良好。模拟结果表明金山坡旋流竖井输水洞方案设计合理可行,可为工程下一步设计工作提供参考。

基于三种湍流模型的竖缝式鱼道水力特性研究

为研究不同湍流模型对竖缝式鱼道数值模拟的适用性和准确度,采用RNGκ-ε模型、大涡模拟(LES)模型及分离涡(DES)模型3种湍流模型对某竖缝式鱼道进行数值模拟,并对比分析了模拟的竖缝式鱼道流态特征、流速及湍动能等水力指标值与实测数据。结果表明,3种模型均可较为准确地解析鱼道池室流态特性,其中DES模型最能反映竖缝式鱼道的流态、流速分布;综合模拟成本后,RNGκ-ε模型在湍动能模拟方面较其他两个瞬时模型具有优势。因此,鱼道数值模拟在不追求较高精度流场特征的要求下,应优先选用RNGκ-ε模型。研究结果可为今后数值模拟在鱼道工程的应用提供参考。

非能动余热排出系统换热特性研究及相关湍流模型评价

在全厂断电事故下,非能动核电厂的非能动余热排出热交换器(PRHRHX)将大多数的堆芯衰变热带出至内置换料水箱(IRWST),但PRHRHX属于大型非稳态热交换器,其传热机理十分复杂。为了弄清PRHR HX的换热特性,文章针对非能动堆芯冷却系统整体性能试验装置(ACME)上的PRHR系统,利用CFD方法开展数值计算,并与试验结果进行对比分析。结果发现:IRWST内沿垂直高度方向上存在明显的热分层现象,且温度沿径向方向趋于均匀分布。但SST湍流模型的计算结果要优于RNG k-ε模型,并与试验结果吻合良好;在IRWST底部区域,温度始终处于初始状态,在传热管下部水平段区域,温度上升较为明显,但高于该区域,温度上升又变得平缓,在传热管上部水平段区域,温度上升十分明显;在整个换热进程中,C型传热管的上部水平段带出了绝大部分的热量,而竖直段和下部水平段只带出了余下的少部分热量。

高压反冲洗离心泵三维内流场及径向力数值模拟研究

高压反冲洗离心泵内部流场分布以及径向力大小显著影响其整机性能。通过CFX商业软件建立离心泵的单、双蜗壳三维全流场模型,使用RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法进行流场和外特性数值模拟,以获取其全流场的压力与速度分布,并与试验结果进行对比。同时,计算叶轮径向力对离心泵进行不稳定性预测,通过单、双蜗壳内部流场及径向力对比分析,阐述离心泵径向力产生的原因,进而揭示蜗壳隔板对离心泵性能影响机制。研究结果表明,双蜗壳结构离心泵不仅能减小叶轮径向力,提高离心泵稳定性,而且能使离心泵内部流场更加均匀,进一步提高离心泵效率。

内河限制性航道船舶下沉量数值研究

内河限制性航道中的船行波具有波高大、流速急等特点,于其中行驶的船舶会随着压力波动而发生纵倾变化,当下沉严重时会造成搁浅事故。以某通航工程为研究对象,借助计算流体力学软件,运用GMRES压力求解器和RNG k-ε(k为紊动能,ε为紊动能耗散率)湍流模型,开展了限制性航道中不同航速、不同水深以及不同隧道宽度共计32种工况下船舶航行下沉量研究。研究表明船舶最大下沉量以及最大纵倾角随着航速以及隧道宽度的增大而增大,随水深的增加而减小。相关结果可为内河限制性航道船舶安全航行提供科学指导。

基于集成方法的汽车除霜除雾风道改进

针对目前汽车除霜除雾性能普遍不高的问题,采用RNG k-ε模拟的计算方法,对某车型前挡风玻璃除霜除雾性能改进进行了研究。首先,利用试验验证仿真方法的准确性;然后通过分析初始模型的除霜除雾性能,提出了在除霜除雾风道中添加4个导流板,把导流板的6个结构尺寸作为优化变量,将前挡风玻璃A,A′和B区的努赛尔数作为优化目标,同时为了提高优化效率,基于一种计算流体力学与优化算法相集成的方法,对除霜除雾风道结构进行优化改进进而得到最优参数;最后,将改进后的风道系统应用到除霜除雾性能分析。研究结果表明:在不增加空调送风量的前提下改进后的风道送风分布更加均匀,A区和A’区的努赛尔数分别提高了13.2%和7.7%,除霜除雾性能得到明显改善。

浑水水力分离清水装置弱旋流场特性研究

浑水水力分离清水装置是在动态条件下利用水流自身的能量,从高含沙浓度的浑水中将水沙(包括极细沙和黏粒)分离,获取可供人们生活用的透明清水的取水装置。由于装置内部结构复杂,仅通过物理模型实验无法了解"装置"内部完整的流场特性。采用k-εRNG湍流模型和SMPLEC算法对"装置"内部三维速度场进行了数值模拟。根据计算结果详细分析了"装置"内径向、轴向以及切向速度分布特征,及其对"装置"内泥沙运动轨迹和水沙分离效率的影响。从清水流场特性出发,初步探讨了"装置"有效分离水沙并获得清水的机理,并为"装置"结构进一步优化提供参考。

跨声速条件下轴对称收扩喷管内外流场的数值研究

采用有限体积法,二阶精度插值的Roe格式对三维流场N-S方程进行空间离散;采用LUSGS隐式时间推进法和多重网格技术加快计算收敛速度;采用不同湍流模型、壁面函数对轴对称喷管内外流场进行三维数值模拟.计算结果与实验数据对比表明,采用涡粘修正的RNG模型,内流场使用增强壁面函数,外流场使用标准壁面函数可以得到准确的计算结果.研究表明:在亚声速条件下,喷管外壁面压力分布随落压比的变化不大;超声速条件下,喷管外壁面激波随着落压比的增大前移.