非对称体边界下三维紊流模型的建立和验证

发布时间：2021-06-23 15:49

　　对于斜向进水、侧向泄水条件下的圆形消力井,基于井内水流紊动射流分区的半经验公式法,可以对淹没射流条件下的水股作用力进行机理分析,并推导得出射流沿程最大流速及冲击区井壁时均作用力表达式,但尚不能完全揭示其内部复杂的紊动水力特性。利用紊流理论的数值模拟可以更好地描述圆形消力井流场内部各处的时均流及紊动特性:根据区域形状特点,对流场的空间域和时间域进行剖分离散,由不规则边界紊流Navier-Stokes方程掺气影响统计演化建立了三维封闭可求解雷诺应力方程组。基于实际工程的数值分析成果表明,三维紊流模型可行有效,能够用于非对称体边界条件下的空间流场计算。 

【文章来源】：农业工程. 2020,10(06)

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

计算域基本体型及相关参数(单位:m)

斜向进水侧向泄水圆形消力井紊流模型的几何构形为直角坐标系XOY下三维模型，如图2所示。为避免紊流统计模式求解的刚性问题以实现边界区域的拟合，直接影响流场及其水力特性表达的网格设计尤为关键。自由网格划分采用质量较高且与水流方向一致的分块结构化Fourier级数展开，圆柱表面和流动比较复杂的区域采用Chebyshev多项式O型切分，为避免网格尺寸突变，根据权函数选择GaussLobatto进行局部水气参数变化剧烈网格点渐变加密的形式均匀衔接[11]。同时对网格数进行估计，以满足分辨率要求。参考Kolmogorov尺度量级，耗散尺度η和时间尺度τ如式(1)所示[11]。

非对称体边界三维紊流模型，可以较好地解决斜向进水侧向泄水圆形消力井中紊流与边界约束之间的物质能量交换问题，进而直观显示消力井内流场的分布情况，如图3所示。由图3可知，有限水深斜向进水条件下，掺气射流沿直线呈360°扩散冲击下泄，并与周围水体产生振弦紊动变形，消力井内流场受非对称体边界条件约束影响并呈现出不同的流动趋势:边界平缓处，主流近似自由紊动射流，紧靠边界流线接近边界形状;边界急剧变化处，受惯性力作用，流线出现粘滞约束挣脱与边界分离，并在主流与边界相接面间形成上下缘旋滚，自由面跃起水突明显，具有淹没射流与水跃流混合特征，这与文献[1]试验研究成果是相一致的。同时，随着纵坐标Z值的增大，射流竖向时均流速由中心轴处的最大值逐渐衰减到零值;随着纵坐标X的增大，射流纵向时均流速不断减小，纵向时均流速分布也趋于平坦;主体段不同断面射流扩展长度2b与时均速度变化分布相似或自保持耦合。空间流场A=(X,Y,Z)T变化可表示为无因次高斯型雷诺函数

【参考文献】：
期刊论文
[1]竖井旋流式溢洪道消能及空化特性[J]. 张文传,王均星,董宗师,周招,杨晓.  中南大学学报(自然科学版). 2018(12)
[2]斜向进水消力井淹没射流水力特性机理分析[J]. 焦萱,邱勇,阮合春,余远浩,王尚今.  长江科学院院报. 2019(11)
[3]基于消力井直径变化下竖井溢洪道压强特征试验研究[J]. 张宗孝,刘冲,白欣,陈小威.  应用力学学报. 2018(03)
[4]深筒式消力井的二维紊流数值模拟初探[J]. 王滢,侍克斌.  水资源与水工程学报. 2005(03)
[5]三维紊流悬沙数学模型及应用[J]. 陆永军,窦国仁,韩龙喜,邵学军,杨向华.  中国科学E辑:技术科学. 2004(03)



本文编号：3245222