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温盐分层流的非结构网格数值模拟

赖锡军  
【摘要】: 自然环境水体中的分层流动通常是由温度、主动输运物质(如盐度、泥沙等)或者它们的组合作用诱导产生的。由于各组分对水体密度的贡献以及其自身的扩散特性的差异使得该类分层流动更为复杂。当前,数值模拟技术成为了研究分层流动的重要手段。但是,数值模型多采用矩形网格和正交曲线网格,对自然界复杂的几何边界适应能力较弱。与此同时,分层流的研究也主要集中于单组分引起的分层流,没有考虑多组分间的耦合相互作用。本文从该类研究的难点入手,首先,采用单元中心的有限体积法开发了通用性强,易扩展的非结构同位网格数学模型求解N-S方程,压力校正采用SIMPLE(SIMPLEC)算法,并采用显式校正步法(explicit correction step)对SIMPLEC算法进行了显式校正。建立的模型能处理高度扭曲的非结构计算网格,收敛性能良好。接着,将数值性能优良的QUICK格式扩展到非结构网格上。并以常温下的水为研究介质的,应用QUICK格式分析了层流下方腔内双扩散流动特征,探讨了Ra、Le、浮力比λ对双扩散流动的影响。进一步的,针对当前考虑浮力作用紊流模型的研究现状,导出了适合模拟各向异性的浮力紊流的显式代数雷诺应力模型,并利用T型交叉管内的温度混合试验成果进行了分析验证。最后,利用导出的浮力紊流模型研究了因温度和盐度的组合作用引起的浮力流动特征。成果分析指出了温盐共同作用引起的高雷诺数紊动浮力流动受温度和盐度的分子扩散速率差异的影响很小:但是因各组分对环境水体密度影响差异会造成不同的浮力流动特征。


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