复式断面明渠中二次流与紊流拟序结构直接数值模拟研究

发布时间：2020-06-30 23:22

【摘要】：复式断面河道是平原地区常见的河道类型。河道中既有主流平面外的二次流动,又有壁面边界层的剪切紊流,尽管强度较弱,但对河道主流流速分布、污染物浓度分布和河床的稳定性都有较大影响。二次流的产生与紊流拟序结构存在密切联系。然而,目前多数学者都是针对复式断面明渠中二次流开展研究,对复式断面明渠中的紊流拟序结构,以及紊流拟序结构与二次流的之间的影响机制尚缺乏深入研究。因此,将复式断面明渠中二次流和紊流拟序结构结合起来研究,深入了解二次流与紊流拟序结构之间的相互作用,具有明显的学术和应用价值。本文对中等雷诺数下复式断面明渠二次流与紊流拟序结构进行了直接数值模拟研究,追踪了国内外有关复式断面明渠中二次流和紊流拟序结构的研究动向,对平板紊流、矩形断面明渠紊流以及复式断面明渠紊流的直接数值模拟结果进行了对比分析。主要研究内容以及结论如下:(1)对Re=180平板紊流进行了直接数值模拟,并与国外研究结果进行了对比验证,证明了本文直接数值模拟结果的精确性。(2)对Re=180的矩形断面明渠紊流进行了直接数值模拟。通过对其紊流统计量进行分析,发现了三个主要二次流涡对,最大二次流流速约为最大主流速的3%。(3)对Re=180的复式断面明渠紊流进行了直接数值模拟。通过对其紊流统计量进行分析,发现在深槽与浅滩结合处存在一对主涡对,二次流流速的最大值也在该处附近取得,其值约等于横断面主流流速的4.5%。在复式断面浅滩与深槽结合处,紊动强度和雷诺应力均取得较大值,这与该区域存在大量的紊流拟序结构有关。(4)将平板紊流、矩形断面明渠紊流和复式断面明渠紊流的直接数值模拟结果进行对比,分析了不同截面形状的明渠紊流的流动特性和二次流结构,并指出了二次流的产生与紊流拟序结构之间的联系。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TV133
【图文】：

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仪)对有植被的复式断面明渠二次流与涡结构进行了测量，发现复式断面明渠中植被产生的拖曳力对顺流向涡有显著的影响。图1-1 复式断面明渠二次流矢量图(引自文献[6])

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第一章绪论3图1-2 复式断面明渠污染物的浓度分布(引自文献[7])在复式断面明渠二次流的理论研究方面，Shnino 和 Knight[11]采用简化的二维 Navier-Stokes 方程，求出了壁面应力w 与平均流速 U 的解析解，并将其应用到截面形状较复杂的复式断面明渠的流动中。该模型同时考虑了二次流对顺流向速度的影响。在复式断面明渠二次流的数值模拟方面，Keller 和 Rodi[12]采用沿水深积分二维的 Navier-Stokes 方程，并结合k 紊流模型，模拟了复式断面明渠的流动。当 B /H 较小时(B 为复式断面明渠宽度，H 为深槽水深)

【参考文献】