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丁坝水流结构试验及紊流模型中壁函数应用研究

曹艳敏  
【摘要】: 壁函数是紊流模型模拟水流流场的重要辅助方程,它直接影响到流场、流速、紊动动能分布等方面的模拟精确程度。尤其是对于k-ε双方程紊流模型这种高R_e数模型,在近壁处的低R_e数区采用合适的壁函数可以达到节省内存与计算时间、精确模拟实际流场的效果。而目前有多种壁函数形式应用到k-ε模型种,哪种形式的壁函数更为有效地达到精确模拟的效果,目前尚无这方面的研究对比。 本文在丁坝水流结构水槽试验研究的基础上,同时应用带有三种不同形式壁函数的k-ε模型与零方程模型对丁坝水流试验进行数值模拟,将数学模型的计算结果与实测数据进行对比,从而遴选出较好的壁函数形式。进而将其运用于实际河道的验证计算,进一步论证了遴选出的壁函数可以运用于原型河道的水流运动计算。 本文所得的主要结论及创新点包括以下几个方面: (1)对丁坝水流结构进行系统的三维测量,不仅为数学模型验证提供依据,也为进一步完善丁坝水力学提供一定帮助。本文进行了平底与冲刷坑两种情况的丁坝水槽试验,主要侧重于对坝头区及回流区这两个紊动较强烈和集中的区域进行研究,分析其流场特点及紊动动能分布,进而得出两区的紊动特性规律,为进一步揭示冲刷坑平衡提供了参考。 (2)三种不同壁函数形式的k-ε模型对丁坝水槽试验进行模拟,从流场、流速、紊动动能分布等几个方面对三种模型进行验证发现:对数律壁函数计算结果更优于简化型壁函数和马福喜所用的壁函数两种壁函数形式的计算结果。 (3)最后引用长江中游的牯牛沙河段作为算例,应用贴体坐标系下的壁函数为对数律形式的k-ε模型进行计算,计算结果与实测值吻合较好,进一步确认对数律壁函数实用性。 本文相关结论可为日后紊流模型中壁函数选取和改进提供一定参考,既具有一定的理论意义,又有实际应用价值。


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