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掺气水流双流体模型数值模拟研究

张宏伟  
【摘要】: 水气二相流现象在自然界和工业生产等领域中大量存在。水利工程中常见的掺气水流,便是一种典型的水气二相流,是水工水力学和高速水力学的重要研究内容。由于水流掺气,其运动特性与不掺气水流相比,发生了很大变化,因而对水工建筑物形成了各种有利或不利的影响。对水气二相流进行研究,不仅可促进二相流基本理论的发展,还可解决工程实际问题,有着重要的理论意义和实用价值。水气二相流现象较为复杂,研究内容涉及面广、难度大,本文主要对水气二相流进行了数值模拟方面的研究。 首先从二相流基本理论出发,采用连续介质假定,给出了基于双流体模型的二相流瞬时局部基本方程和相界面间断关系。以瞬时局部方程为基础,采用欧拉平均方法,推导了二相流双流体模型的平均方程及其相界面间断关系。 对二相流平均方程的封闭问题进行了分析和讨论,给出了各种相间作用力的物理意义和模化公式,简要描述了二相流的紊动机理,回顾总结了二相流紊流模型的研究成果,详细给出了水气二相流的标准κ-ε模型方程。 在分析了水气二相流的基本特点和运动特性的基础上,对平均形式的基本方程进行了适当的简化假设,给出了反映掺气水流特点的本文所采用的双流体数学模型,并将其基本控制方程归纳为对流扩散通用形式,以便于 西安理工大学硕士学位论文 一 方程组的数值求解。 对水气二相流平均形式的双流体模型控制方柠组的有限差分解沾训f 了研究,推导了各方程的离散形式。对容积分数方程提出了修小方法,对 动量方程采用了加速收敛的!个A拄术,排导了同位网格F的压力修正力札!, 借鉴1引〕A算亏 思想,提u了适于求解二(多)J 流离散 方干的从个求山步 骤。 对明渠掺气水流进行了数值模拟。通过给出适当的边界条件,对,山渠掺 气水流问题中的掺气浓度、流速及其它运动参数进订了数值i!-算;对计算 结果和影响囚素做了分忻和讨沦,并与实测资料进订了比较。i!-算纠议勺 实测资料符合较好。 数值模拟是研究水气二相流的一条重要而有效的途径,通过小义的研 究,为今后进一步进行二相流数值模拟的研究工作打-厂了良好的基础。


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