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三维自由面湍流场数值模拟及其在水利工程中的应用

王志东  
【摘要】: 自然界中的流体流动问题一般都具有三维性和湍动性,对于最常见的流体—水则同时还拥有自由表面,水利工程中绕闸墩的泄洪水流、船舶工程中的船体绕流等均具有上述流动的三种特性,这三种特性是计算流体力学(CFD)领域非常重要的研究内容和方向。 本文针对粘流场数值模拟技术的研究现状和发展动态作了比较全面的回顾与展望,重点研究了网格生成技术、数值求解技术、湍流模型技术和动边界模拟技术,在此基础上建立了模拟自由面湍流场的数学模型,并成功地应用到二维溢流坝和带闸墩的三维溢流坝过坝水流的数值计算。 本文完成的具体工作和主要结论如下: 1)以代数网格生成方法为基础提出了一种简单的、可独立于网格生成方法之外的边界正交化技术;针对分区结构网格系统建立了分区交界面处的数据结构与计算模型; 2)利用有限体积方法在非正交同位网格系统中建立了SIMPLE求解算法,对非正交网格系统中的边界条件、延迟修正技术及计算节点的梯度计算等专题进行了深入讨论。通过对倾斜方腔驱动流、后台阶绕流、圆柱绕流等典型流场的数值模拟,表明本文建立的非正交同位网格系统中的SIMPLE算法是合理的; 3)研究比较了各种湍流模型的特点及应用范围,以水翼绕流场为例完成了RNGk-ε模型与标准k-ε模型的计算比较,结果表明RNGk-ε模型能够更好地模拟流场的湍流特性; 4)研究了运动边界模拟技术中的VOF方法,详细建立了一种精度更高的自由面重构模型,通过对典型运动界面的数值模拟表明,该方法能够更加准确地确定运动界面的形状和位置; 5)利用本文建立的非正交网格系统中自由面湍流场数学模型,对二维溢流坝过坝水流进行了数值计算,分析了不同坝顶水头下的水面线位置、坝面压力及流量、流速等水流特性,通过与典型实验资料的对比,水面线高度及坝面负压极值均与实验值具有非常好的一致性。 6)通过建立溢流坝和闸墩的三维整体模型,完成了对三维过坝水流粘流场的数值计算,针对闸墩的型式及在坝面的布置计算了闸墩对水面线形状、坝面压力、流量系数等设计参数的影响,并将不同墩型与布置形式的计算结果进行比较。结果表明,闸墩 河海大学博士论文 的存在抬高了水面线的位置,其中在闸墩头部尤其明显;墩型对流量系数和坝面压力 影响较大,3A型闸墩相对于2型闸墩具有更大的流量系数和更小的坝面压力:不同 的墩厚闸宽比t/b对泄流能力也将产生显著的影响,随着墩厚闸宽比的增加,坝面压 力降低,而当t/b二0.2时溢流坝具有更大的流量系数。 7)本文建立的三维自由面湍流场模型能够比较准确地模拟带闸墩溢流坝三维过坝水 流湍流场,可以针对不同的坝型、墩型、坝面布置形式以及不同的坝顶水头完成系列 水力计算,为泄水工程建筑物的设计提供可靠的分析依据


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