基于多孔介质模型的有限柱群绕流模拟
发布时间：2021-03-04 16:35
河道中的植被水流可视为多孔介质流动,可采用多孔介质水流模型模拟流动特征。本文基于自主开发的带有自由表面水流计算模型,耦合多孔介质模型,建立了模拟植被水流的数值模型。水流模型基于静压假定的浅水流动假设,自由表面的捕获采用垂向坐标变换方法,植被区通过时空变化的孔隙率进行模拟。并采用物理模型实验数据对所开发的多孔介质水流模型进行验证,验证结果表明该模型适用于植被水流的宏观效应模拟,包括尾流区流动特征等。在植被水流尾流场形态研究方面,多孔介质模型计算效率较高,模拟精度有一定保证。该模型可进一步应用于大尺度植被水流运动特征的研究。
【文章来源】：水动力学研究与进展（A辑）. 2019,34(04)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
计算域及模型示意图Fig.1SketchofCalculationdomainandmodel
吴梦瑶，等：基于多孔介质模型的有限柱群绕流模拟4691()tVxxqFDDD(4)y+tyyyqquqvqgDxyy()(2+xyyxtHtHqqqfqxyxyy）1()tVyyqFDDD(5)式中，xyqqq、和为引入的新变量，xqDu，yqDv，qD；f2sin为科氏项；表示自由表面位置。是坐标系下的垂向速度，其变换公式采用如下形式wuDvDDDxxDyy1DDtt(6)=1表示柱群区域的孔隙率，其中柱群外=1，Fx和Fy是上一小节中讨论的由植物引起的阻力项。上述控制方程的数值求解基于有限体积法（FVM），时间积分采用半隐式，对流项求解基于二阶TVD格式，采用OpenMP语言库进行并行计算。1.3湍流模型本文采用Menter提出的(SST)k-[10]两方程模型，k与满足的控制方程如下：*()iijktkjjjDkukkSDtxxx(7)()iijttjjjDuDtxxx2121+21)jjkSFxx（(8)其中0.09，0.5，0.5k。柱群引起的湍动能生成及耗散通过引入源汇项kS和S实现，即kfkiiSCFu，/fiiSCFuk，其中5/9，Cfk=0.05，Cfω=0.16。2模型验证及结果分析2.1几何模型利用Zong和Nepf[2]的实验结果对模型进行验证。平面计算域如图1所示，水槽长为13m，宽B为1.2m，深度H为13.3cm。柱群位于水槽中心线上，柱群的直径D，单个圆柱的直径为0.6cm。X、Y和Z轴分别代表流向、横向以及垂向。入口处采用流量边界条件设置为均匀来流，-1u9.80.5cms；出口采用水位边界条件。图1计算域及模型示意图Fig.1SketchofCalculationdomainandmodel2.2来流垂向速度验证在Zong和Nepf[2]的实验中定义底床摩擦力系数Cf*22U/U，其中U*为床面剪切速度，U为水深平均速度，因此Cf=0.006。在浅水流动中，如果稳定性系数/fSCDh大于0.2，则底床摩擦力可能会抑制多孔介质区域下游的
水动力学研究与进展A辑2019年第4期470介质区域及其附近区域网格分辨率较高；同时为了有效提高计算效率，在远离多孔区域划分粗网格。本文采用三种不同分辨率的网格验证了网格收敛性，进而选取适当的计算网格。计算域局部网格划分如图3所示。三种网格参数如表1所示。图3局部网格划分示意图Fig.3sketchofpartmeshing表1网格尺寸参数Table1.Theparametersofgridsize网格I网格II网格III总网格数76615610830361186702多孔区域网格数550071008000最小网格尺寸/mm321.7本节验证网格收敛性的工况为：柱群的直径D22cm，均匀来流U9.8cm/s，固体体积分数0.1。将本文的多孔介质模型计算结果与Zong和Nepf[2]及YU等[6]的多体模型计算值进行了比对。图4给出了不同网格模拟结果的对比。与实验相应，提取轴线上h/H=0.5位置处的时均流速，与实测值比较，如图4所示。基于网格I的数值模拟结果与实验值存在着较大的误差，基于网格II、III的模拟结果接近，计算网格满足一定的收敛性。综合模拟精度及计算效率等因素，本文后续计算选择网格II。图4网格独立性验证结果Fig.4Gridindependenceverificationresults2.4模型验证及结果分析2.4.1时均流场特性分析参考Zong和Nepf[2]的实验，验证流向时均速度U(Y0、Hh5.0/)，侧向时均流速V(DY2/、Hh5.0/)。图5(b)和图6(b)显示，横向流动现象从距离柱群上游D处开始发生，这与Rominger和Nepf[11]的结论一致。水流流经多孔介质区域会在多孔介质区域两侧形成剪切层，沿流向逐渐向中轴线扩展，且当两个剪切层相交会在中?
【参考文献】：
期刊论文
[1]水生植物对河道形态影响的三维湍流模型[J]. 刘诚,沈永明. 水利学报. 2010(02)
硕士论文
[1]植物对河道水流特性的影响研究[D]. 刘彦东.天津大学 2014
本文编号：3063541
【文章来源】：水动力学研究与进展（A辑）. 2019,34(04)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
计算域及模型示意图Fig.1SketchofCalculationdomainandmodel
吴梦瑶，等：基于多孔介质模型的有限柱群绕流模拟4691()tVxxqFDDD(4)y+tyyyqquqvqgDxyy()(2+xyyxtHtHqqqfqxyxyy）1()tVyyqFDDD(5)式中，xyqqq、和为引入的新变量，xqDu，yqDv，qD；f2sin为科氏项；表示自由表面位置。是坐标系下的垂向速度，其变换公式采用如下形式wuDvDDDxxDyy1DDtt(6)=1表示柱群区域的孔隙率，其中柱群外=1，Fx和Fy是上一小节中讨论的由植物引起的阻力项。上述控制方程的数值求解基于有限体积法（FVM），时间积分采用半隐式，对流项求解基于二阶TVD格式，采用OpenMP语言库进行并行计算。1.3湍流模型本文采用Menter提出的(SST)k-[10]两方程模型，k与满足的控制方程如下：*()iijktkjjjDkukkSDtxxx(7)()iijttjjjDuDtxxx2121+21)jjkSFxx（(8)其中0.09，0.5，0.5k。柱群引起的湍动能生成及耗散通过引入源汇项kS和S实现，即kfkiiSCFu，/fiiSCFuk，其中5/9，Cfk=0.05，Cfω=0.16。2模型验证及结果分析2.1几何模型利用Zong和Nepf[2]的实验结果对模型进行验证。平面计算域如图1所示，水槽长为13m，宽B为1.2m，深度H为13.3cm。柱群位于水槽中心线上，柱群的直径D，单个圆柱的直径为0.6cm。X、Y和Z轴分别代表流向、横向以及垂向。入口处采用流量边界条件设置为均匀来流，-1u9.80.5cms；出口采用水位边界条件。图1计算域及模型示意图Fig.1SketchofCalculationdomainandmodel2.2来流垂向速度验证在Zong和Nepf[2]的实验中定义底床摩擦力系数Cf*22U/U，其中U*为床面剪切速度，U为水深平均速度，因此Cf=0.006。在浅水流动中，如果稳定性系数/fSCDh大于0.2，则底床摩擦力可能会抑制多孔介质区域下游的
水动力学研究与进展A辑2019年第4期470介质区域及其附近区域网格分辨率较高；同时为了有效提高计算效率，在远离多孔区域划分粗网格。本文采用三种不同分辨率的网格验证了网格收敛性，进而选取适当的计算网格。计算域局部网格划分如图3所示。三种网格参数如表1所示。图3局部网格划分示意图Fig.3sketchofpartmeshing表1网格尺寸参数Table1.Theparametersofgridsize网格I网格II网格III总网格数76615610830361186702多孔区域网格数550071008000最小网格尺寸/mm321.7本节验证网格收敛性的工况为：柱群的直径D22cm，均匀来流U9.8cm/s，固体体积分数0.1。将本文的多孔介质模型计算结果与Zong和Nepf[2]及YU等[6]的多体模型计算值进行了比对。图4给出了不同网格模拟结果的对比。与实验相应，提取轴线上h/H=0.5位置处的时均流速，与实测值比较，如图4所示。基于网格I的数值模拟结果与实验值存在着较大的误差，基于网格II、III的模拟结果接近，计算网格满足一定的收敛性。综合模拟精度及计算效率等因素，本文后续计算选择网格II。图4网格独立性验证结果Fig.4Gridindependenceverificationresults2.4模型验证及结果分析2.4.1时均流场特性分析参考Zong和Nepf[2]的实验，验证流向时均速度U(Y0、Hh5.0/)，侧向时均流速V(DY2/、Hh5.0/)。图5(b)和图6(b)显示，横向流动现象从距离柱群上游D处开始发生，这与Rominger和Nepf[11]的结论一致。水流流经多孔介质区域会在多孔介质区域两侧形成剪切层，沿流向逐渐向中轴线扩展，且当两个剪切层相交会在中?
【参考文献】：
期刊论文
[1]水生植物对河道形态影响的三维湍流模型[J]. 刘诚,沈永明. 水利学报. 2010(02)
硕士论文
[1]植物对河道水流特性的影响研究[D]. 刘彦东.天津大学 2014
本文编号：3063541
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