沙纹床面振荡流边界层的三维格子玻尔兹曼模拟研究
发布时间：2021-09-30 02:32
将壁面自适应局部涡黏（WALE）模型引入三维格子玻尔兹曼模型,对沙纹床面上的振荡流边界层运动进行了模拟,并与Smagorinsky模型的模拟结果进行了比较.结果表明,在振荡流沙纹床面模拟中,WALE模型与Smagorinsky模型均获得与已有实验结果吻合较好的垂向流速剖面,但WALE模型可以更好地反映粗糙紊流的特性.引入WALE模型的LB模型模拟得到的沙纹床面形状摩阻系数和肤面摩阻系数结果与前人数模结果一致,床面总摩阻力中形状摩阻相比肤面摩阻占主要部分.该模型可进一步应用于振荡流作用下沙纹床面紊流边界层运动特性的系统研究.
【文章来源】：天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2019,52(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
Half-way反弹格式曲线边界示意Fig.1CurvedboundaryofHalf-waybounce-backboundarycondition
?实愎斓?运动幅值a为特征长度，振荡流水质点运动速度幅值0U为特征速度，无量纲化的沙纹长度/a＝2.2，沙纹坡度/＝0.159，为沙纹波高，振幅雷诺数aRe＝23,163．计算区域顺流向长度4.4xLa，即区域内包含两个完整沙纹，可以保证计算区域宽度足以包括较大尺度涡旋结构．计算区域顶边界设为自由滑移边界，与顺流向垂直的两个边界和两个侧边界均设置为周期对称边界，底边界即沙纹床面表面设置为无滑移的固壁边界．沙纹表面由圆弧组成，沙纹顶峰尖锐，谷底平坦．计算区域示意图见图2．模型各方向的格子数Nx、Ny和Nz分别为432、412和432．振荡流流动采用周期性的压力梯度驱动．算例共模拟25个振荡周期，其中前10个周期用来获得稳定的流场，后面15个周期用于结果分析．算例在天河1号超算中心运行，使用72个CPU，每个算例运行约77h．图2计算区域示意Fig.2Computationaldomain3结果和分析3.1平均流速分布对瞬时水平流速u(y,t)的垂向分布进行系综平均和空间平均，得到图3所示4个特征位置处的平均流速分布．图4显示了不同沙纹位置处平均流速u的垂向分布与实验结果的比较，其中模拟值包括WALE模型和Smagorinsky模型的结果．图中纵坐标的起点为计算底边界，即沙纹谷底位置．实线为WALE模型结果，虚线为Smagorinsky模型结果，圆圈为实验结果．受沙纹形状的影响，在各沙纹位置处的流速分布呈现出明显的区别．两种大涡模拟模型的结果存在较明显的差别，Smagorinsky模型在各沙纹表面位置的多个相位结果偏大，而WALE模型的平均流速分布更接近实验结果．图3沙
尖锐，谷底平坦．计算区域示意图见图2．模型各方向的格子数Nx、Ny和Nz分别为432、412和432．振荡流流动采用周期性的压力梯度驱动．算例共模拟25个振荡周期，其中前10个周期用来获得稳定的流场，后面15个周期用于结果分析．算例在天河1号超算中心运行，使用72个CPU，每个算例运行约77h．图2计算区域示意Fig.2Computationaldomain3结果和分析3.1平均流速分布对瞬时水平流速u(y,t)的垂向分布进行系综平均和空间平均，得到图3所示4个特征位置处的平均流速分布．图4显示了不同沙纹位置处平均流速u的垂向分布与实验结果的比较，其中模拟值包括WALE模型和Smagorinsky模型的结果．图中纵坐标的起点为计算底边界，即沙纹谷底位置．实线为WALE模型结果，虚线为Smagorinsky模型结果，圆圈为实验结果．受沙纹形状的影响，在各沙纹位置处的流速分布呈现出明显的区别．两种大涡模拟模型的结果存在较明显的差别，Smagorinsky模型在各沙纹表面位置的多个相位结果偏大，而WALE模型的平均流速分布更接近实验结果．图3沙纹位置示意Fig.3Locationsofsandripple3.2紊动强度图5为采用WALE模型和Smagorinsky模型得到的沙纹各位置顺流向平均紊动强度2u的垂向分布与实验结果的比较．图中纵坐标的起点为计算底边界，即沙纹谷底位置．在沙纹1/4位置，如图5(a)中t355°时刻，Smagorinsky模型结果中紊动强度大值出现的范围明显大于实验结果，而WALE模型的结果与实验结果更加接近．在沙纹谷底位置，如图5(d)中t265°时刻，紊动强度?
【参考文献】：
期刊论文
[1]粗糙床面振荡紊流边界层运动的三维格子玻尔兹曼模拟[J]. 周志博,张庆河. 水动力学研究与进展（A辑）. 2016(04)
[2]振荡流边界层中颗粒受力的三维格子玻耳兹曼模拟[J]. 丁磊,张庆河. 水动力学研究与进展A辑. 2010(03)
[3]非线性波作用下非对称沙纹床面流场特性数值分析[J]. 程永舟,王永学,蒋昌波. 大连理工大学学报. 2008(03)
[4]振荡层流边界层运动的格子Boltzmann模拟[J]. 孙亚斌,张庆河,张金凤. 水动力学研究与进展（A辑）. 2006(03)
[5]沙纹床面上波流共同作用的数值模拟[J]. 蒋昌波,白玉川,赵子丹,张红武. 水利学报. 2005(01)
[6]湍流大涡数值模拟进展[J]. 崔桂香,许春晓,张兆顺. 空气动力学学报. 2004(02)
[7]波浪作用下沙纹床面底层流动特性研究[J]. 蒋昌波,白玉川,赵子丹,张红武. 水科学进展. 2003(03)
[8]波浪作用下涡动沙纹床面的悬沙运动数值研究[J]. 蒋昌波,白玉川,赵子丹,张红武. 水利学报. 2003(03)
本文编号：3414947
【文章来源】：天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2019,52(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
Half-way反弹格式曲线边界示意Fig.1CurvedboundaryofHalf-waybounce-backboundarycondition
?实愎斓?运动幅值a为特征长度，振荡流水质点运动速度幅值0U为特征速度，无量纲化的沙纹长度/a＝2.2，沙纹坡度/＝0.159，为沙纹波高，振幅雷诺数aRe＝23,163．计算区域顺流向长度4.4xLa，即区域内包含两个完整沙纹，可以保证计算区域宽度足以包括较大尺度涡旋结构．计算区域顶边界设为自由滑移边界，与顺流向垂直的两个边界和两个侧边界均设置为周期对称边界，底边界即沙纹床面表面设置为无滑移的固壁边界．沙纹表面由圆弧组成，沙纹顶峰尖锐，谷底平坦．计算区域示意图见图2．模型各方向的格子数Nx、Ny和Nz分别为432、412和432．振荡流流动采用周期性的压力梯度驱动．算例共模拟25个振荡周期，其中前10个周期用来获得稳定的流场，后面15个周期用于结果分析．算例在天河1号超算中心运行，使用72个CPU，每个算例运行约77h．图2计算区域示意Fig.2Computationaldomain3结果和分析3.1平均流速分布对瞬时水平流速u(y,t)的垂向分布进行系综平均和空间平均，得到图3所示4个特征位置处的平均流速分布．图4显示了不同沙纹位置处平均流速u的垂向分布与实验结果的比较，其中模拟值包括WALE模型和Smagorinsky模型的结果．图中纵坐标的起点为计算底边界，即沙纹谷底位置．实线为WALE模型结果，虚线为Smagorinsky模型结果，圆圈为实验结果．受沙纹形状的影响，在各沙纹位置处的流速分布呈现出明显的区别．两种大涡模拟模型的结果存在较明显的差别，Smagorinsky模型在各沙纹表面位置的多个相位结果偏大，而WALE模型的平均流速分布更接近实验结果．图3沙
尖锐，谷底平坦．计算区域示意图见图2．模型各方向的格子数Nx、Ny和Nz分别为432、412和432．振荡流流动采用周期性的压力梯度驱动．算例共模拟25个振荡周期，其中前10个周期用来获得稳定的流场，后面15个周期用于结果分析．算例在天河1号超算中心运行，使用72个CPU，每个算例运行约77h．图2计算区域示意Fig.2Computationaldomain3结果和分析3.1平均流速分布对瞬时水平流速u(y,t)的垂向分布进行系综平均和空间平均，得到图3所示4个特征位置处的平均流速分布．图4显示了不同沙纹位置处平均流速u的垂向分布与实验结果的比较，其中模拟值包括WALE模型和Smagorinsky模型的结果．图中纵坐标的起点为计算底边界，即沙纹谷底位置．实线为WALE模型结果，虚线为Smagorinsky模型结果，圆圈为实验结果．受沙纹形状的影响，在各沙纹位置处的流速分布呈现出明显的区别．两种大涡模拟模型的结果存在较明显的差别，Smagorinsky模型在各沙纹表面位置的多个相位结果偏大，而WALE模型的平均流速分布更接近实验结果．图3沙纹位置示意Fig.3Locationsofsandripple3.2紊动强度图5为采用WALE模型和Smagorinsky模型得到的沙纹各位置顺流向平均紊动强度2u的垂向分布与实验结果的比较．图中纵坐标的起点为计算底边界，即沙纹谷底位置．在沙纹1/4位置，如图5(a)中t355°时刻，Smagorinsky模型结果中紊动强度大值出现的范围明显大于实验结果，而WALE模型的结果与实验结果更加接近．在沙纹谷底位置，如图5(d)中t265°时刻，紊动强度?
【参考文献】：
期刊论文
[1]粗糙床面振荡紊流边界层运动的三维格子玻尔兹曼模拟[J]. 周志博,张庆河. 水动力学研究与进展（A辑）. 2016(04)
[2]振荡流边界层中颗粒受力的三维格子玻耳兹曼模拟[J]. 丁磊,张庆河. 水动力学研究与进展A辑. 2010(03)
[3]非线性波作用下非对称沙纹床面流场特性数值分析[J]. 程永舟,王永学,蒋昌波. 大连理工大学学报. 2008(03)
[4]振荡层流边界层运动的格子Boltzmann模拟[J]. 孙亚斌,张庆河,张金凤. 水动力学研究与进展（A辑）. 2006(03)
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[6]湍流大涡数值模拟进展[J]. 崔桂香,许春晓,张兆顺. 空气动力学学报. 2004(02)
[7]波浪作用下沙纹床面底层流动特性研究[J]. 蒋昌波,白玉川,赵子丹,张红武. 水科学进展. 2003(03)
[8]波浪作用下涡动沙纹床面的悬沙运动数值研究[J]. 蒋昌波,白玉川,赵子丹,张红武. 水利学报. 2003(03)
本文编号：3414947
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