台阶后水流水力特性的试验及其数值模拟研究

发布时间：2020-08-21 19:29

【摘要】：流动的分离与再附着是自然界、工业生产和人们的日常生活中常见的流动现象。台阶后流动虽然结构简单,却包含流动分离与再附着的所有特征,因此,这种模型成为对分离与再附着流动进行研究的典型代表。在河道突扩、泄洪洞中跌坎后的突扩分离流动等水利工程中,流动的分离与再附着往往伴随有空化与空蚀现象的发生,因此对台阶后流动进行研究,找到并改善容易发生空蚀的位置在水利工程中显得尤为重要。本文通过相应的理论基础,采用PIV试验及数值模拟方法对台阶后水流流动特性进行研究。采用粒子图像测速技术(PIV)对Re在500~80000之间的40种雷诺数下台阶后水流进行测量,使用Realizable k-ε湍流模型对这40种雷诺数下台阶后水流进行数值模拟,结合试验与数值模拟分析台阶后水流的二维及三维时均流动特性。使用大涡数值模拟方法对Re=3040下台阶后水流进行数值模拟,分别设置3组不同的计算条件,从网格粗细、亚格子模式及压力-速度耦合算法等几个方面对模型进行验证,并分析水流的瞬时流动特性。主要结论如下:(1)台阶后回流区长度X_r/h随着雷诺数的增加先增加后减小,最终稳定在6.6附近;二次回流区的长度随着雷诺数的增加逐渐减小,台阶处二次回流涡的尺寸逐渐减小。(2)低雷诺数下,台阶高度以下湍动能呈抛物线分布,沿程逐渐减小,回流区内中心断面处流速最大;台阶高度以上湍动能呈S型分布,中心断面处流速较低。高雷诺数下,台阶高度以下回流区内湍动能沿程增加,离开回流区后沿程逐渐减小;台阶高度以上湍动能沿程逐渐增加,流速受台阶后回流区漩涡的影响较小。台阶后水流湍动能最大值的位置沿程逐渐降低。(3)不同的网格粗细对大涡数值模拟结果的影响比较大,网格越细,结果越精确,但耗费的时间越长;不同的亚格子模式对大涡数值模拟结果的影响比较大,采用Smagorinsky-Lilly动力模式模拟所得结果明显优于采用Smagorinsky-Lilly模式和采用WALE模式模拟所得结果,但模拟所耗费时间也有所增加;不同的压力-速度耦合算法对大涡数值模拟结果的影响较小,采用PISO算法模拟所得结果优于采用SIMPLE算法和采用SIMPLEC算法所得结果。(4)台阶后水流启动过程可以分为四个阶段:a)起动涡产生阶段,b)起动涡脱离阶段,c)其他漩涡产生阶段,d)起动涡破碎阶段。台阶后水流流场中的漩涡经历了生成、发展、迁移和破碎四个阶段;在回流区之后,水流的跃起过程也经历了生成、发展、迁移、消失四个阶段。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV131.6
【图文】：

流动的分离与再附着是自然界、工业生产和人们的日常生活中常见的流动现象，例如河道突扩、发动机燃烧室及气体绕建筑物流动等。由于台阶后流动的分离点固定、结构简单、包含所有分离与再附着流动的重要特征并且常出现在复杂的湍流流动中，因此对台阶后流体的流动特性进行深入研究，揭示和探讨台阶对流动的影响，具有重要的理论价值和实践意义。图 1.1 为这种典型流动的示意图。图 1.1 台阶后流动流场示意图后向台阶流动广泛的存在于各种水利工程中，如泄洪洞中跌坎后的突扩分离流动、船闸阀门及高坝深孔出口后的突扩分离流动和管道截面突扩等。图 1.2 为几种典型的包含后向台阶流动现象的水利工程。

工程硕士学位论文第 1 章 绪 论 研究背景及意义流动的分离与再附着是自然界、工业生产和人们的日常生活中常见的流例如河道突扩、发动机燃烧室及气体绕建筑物流动等。由于台阶后流动固定、结构简单、包含所有分离与再附着流动的重要特征并且常出现在流流动中，因此对台阶后流体的流动特性进行深入研究，揭示和探讨台的影响，具有重要的理论价值和实践意义。图 1.1 为这种典型流动的示意

图 1.3 大迎角机翼流体分离过程 图 1.4 风吹建筑物流体分离过程当流体发生分离的时候，往往伴随有大小不同的漩涡的产生，这些漩涡含有大量的脉动能量。当这些漩涡与壁面重新接触后会与壁面发生较大的动热量交换。因此，对剪切层内漩涡结构的产生与发展进行控制是工程中研究点。现如今，对湍流的研究包括理论研究、试验研究和数值模拟研究。其中值模拟的方法主要有 3 种，根据其建立的湍流模型的不同可以分为直接数值（DNS）、雷诺平均模拟（RANS）和大涡数值模拟（LES）。直接数值模拟是动的控制方程进行直接求解，它不需要对湍流建立模型。但由于湍流是不规动，并且具有多尺度性，因此要获得流动的所有信息需要耗费巨大的计算机及时间，故现如今直接数值模拟只能计算低雷诺数的简单湍流流动，不能大推广应用。雷诺平均数值模拟是对湍流建立模型，只需要计算平均运动而不计算各尺度的湍流脉动，因此对计算机的要求较低，是工程上使用最广泛的模拟方法。但雷诺平均数值模拟值只能得到湍流的平均信息，而这是远远不够大涡模拟的思想是直接数值求解大尺度湍流，对小尺度湍流脉动建立模型。

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 赵颖;赵红娟;;中型感应电机温升的数值模拟计算[J];科学中国人;2017年03期

2 肖柯则,赵良毅;铸件凝固温度场数值模拟中动态边界条件的探讨[J];特种铸造及有色合金;1988年01期

3 尤国钊,魏琪;膛口流场的数值模拟[J];爆炸与冲击;1989年03期

4 王天航;;基于毛细管压力的数值模拟研究[J];石化技术;2017年02期

5 华鹏,孙俊生;有限元软件SYSWELD在焊接数值模拟中的作用[J];山东机械;2005年01期

6 尹昕;赵海燕;刘大成;Andrey GUMENYUK;Ulrich DILTHEY;;双束电子束焊接温度场的数值模拟[J];清华大学学报(自然科学版)网络.预览;2008年05期

7 沈华;王爱敏;;数值模拟技术在高炉炼铁中的应用[J];莱钢科技;2011年04期

8 周梦倩;王华;;变厚度复合材料C梁数值模拟与实验[J];机械设计与研究;2019年03期

9 ;中国航空研究院航空数值模拟技术研究应用中心[J];航空科学技术;2011年02期

10 夏志刚;马莉;;考虑时变的产量劈分方法初探[J];江汉石油科技;2013年01期

相关会议论文 前10条

1 赵辉;;五里湾数值模拟研究成果及应用[A];低碳经济促进石化产业科技创新与发展——第六届宁夏青年科学家论坛论文集[C];2010年

2 买买提明·艾尼;;现代数值模拟方法与工程实际应用[A];第22届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ册[C];2013年

3 龚道童;吴应湘;郑之初;郭军;张军;唐驰;;重力沉降分离的数值模拟[A];第七届全国水动力学学术会议暨第十九届全国水动力学研讨会文集（上册）[C];2005年

4 余春祥;;弹丸穿钢靶姿态变化的数值模拟[A];中国工程物理研究院科技年报（2005）[C];2005年

5 汪建华;;焊接力学数值模拟的发展及其工程应用[A];第十次全国焊接会议论文集（第2册）[C];2001年

6 王丽丽;李家春;;瑞利-泰勒不稳定性中尺度效应的数值模拟研究[A];第七届全国激光科学技术青年学术交流会专辑[C];2003年

7 杨峰;倪玲;;水平冻结法温度场数值模拟[A];贵州省岩石力学与工程学会2013年学术年会论文集[C];2013年

8 邓有奇;周乃春;吴小军;;尖拱弹身N-S方程数值计算误差初步分析[A];第十届全国计算流体力学会议论文集[C];2000年

9 欧阳矩勤;何柏荣;胡建伟;田春松;;多井灌采系统数值模拟研究[A];第三次全国地热学术会议论文选集[C];1989年

10 陈刚;张顺;李跃明;;基于热流固耦合数值模拟的热结构防热性能研究[A];中国计算力学大会2014暨第三届钱令希计算力学奖颁奖大会论文集[C];2014年

相关重要报纸文章 前10条

1 通讯员 朱江　冯明农;风能项目组研讨数值模拟产品共享[N];中国气象报;2010年

2 本报实习记者 蒋文雯 通讯员 罗耀华;宝钢数值模拟研究和应用领跑钢铁行业[N];中国冶金报;2012年

3 安吉;中国“地球数值模拟装置”首次亮相国际舞台[N];科技日报;2015年

4 刘燕;中国“地球数值模拟装置”将亮相世界超算大会[N];科技日报;2015年

5 李树民 黄坤;仿真数值模拟研究为医学护航[N];科技日报;2012年

6 记者 申敏夏;地球数值模拟装置原型系统发布[N];中国气象报;2015年

7 本报记者 陈曲;“地球数值模拟装置”原型系统发布[N];中国信息化周报;2015年

8 记者 李辉;中科院“地球数值模拟装置”原型系统正式发布[N];中国高新技术产业导报;2015年

9 王晓云;对加强小尺度数值模拟系统研发与应用的思考[N];中国气象报;2007年

10 徐祥德;数值模拟及其分析应用[N];中国气象报;2006年

相关博士学位论文 前10条

1 张南;水动力数值模拟系统（Hydroinfo）开发及应用研究[D];大连理工大学;2018年

2 涂三山;无单元法及其在阴极保护数值模拟中的应用研究[D];大连理工大学;2018年

3 Peter Robert Williams;星系的数值模拟[D];中国科学院研究生院（上海天文台）;2004年

4 张立文;数值模拟技术在金属材料固态加工中的应用[D];大连理工大学;2004年

5 曹玉春;流化床垃圾焚烧炉内流动和燃烧污染物生成数值模拟研究[D];浙江大学;2005年

6 杨坚;缝洞型碳酸盐岩油藏缝洞单元数值模拟理论与方法研究[D];中国石油大学;2007年

7 张冬娟;板料冲压成形回弹理论及有限元数值模拟研究[D];上海交通大学;2007年

8 Mohammed Aman Ullah（阿曼）;用守恒型跟踪算法数值模拟流体中的介质界面[D];上海大学;2011年

9 季俊杰;燃煤链条锅炉燃烧的数值建模及配风与炉拱的优化设计[D];上海交通大学;2008年

10 李超;黄河（内蒙古段）河冰生消演变特性及数值模拟研究[D];内蒙古农业大学;2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 池敏;金属激光选区熔化增材制造数值模拟与实验研究[D];华东理工大学;2019年

2 闫宸锋;台阶后水流水力特性的试验及其数值模拟研究[D];兰州理工大学;2019年

3 史冬冬;基于混沌混合的微混合器的数值模拟及实验研究[D];杭州电子科技大学;2018年

4 梅静;供油壳体铸造成型的数值模拟及工艺改进[D];西华大学;2018年

5 徐征;深水池造流系统数值模拟研究[D];大连理工大学;2018年

6 张耀峰;碳化水驱油藏数值模拟研究[D];中国石油大学（北京）;2017年

7 张雪;基于计算机流体动力学的燃烧假人数值模拟[D];东华大学;2012年

8 王帅;燃气流场算法程序实现及初步对比分析[D];中国航天科技集团公司第一研究院;2018年

9 甄卫刚;双线公路隧道开挖和抗震问题的数值模拟[D];石家庄铁道大学;2018年

10 陈旭娇;喷射器的设计与结构优化数值模拟[D];华北电力大学(北京);2016年

本文编号：2799770