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明渠弯道三维水流数值模拟研究

冯丽华  
【摘要】: 天然河道一般都可以概化为一系列弯段和直段的组合,因此对于强曲率弯道水流运动规律的研究可以作为研究天然河道水流运动规律的基础。由于弯道水流具有纵向水流和副流叠加在一起形成特有的螺旋流,以及其本身特殊的几何特征和边界条件,使得这种水流具有复杂的三维特性。如果能够很好地利用数值模拟解决这类问题,不仅可以很好地对这些水流流动结构进行研究,指导工程实际,同时相对于试验来说可以节省人力、财力和时间。本文利用流体计算软件FLUENT提供的不同紊流模型,对180°强曲率弯道三维水流进行了数值模拟研究,并与休克莱(Shukry)的经典试验结果作对比分析,以判别数值模拟的可靠性。主要内容和成果有: (1)对弯道水流运动现象、运动特性、紊动强度和床面剪切力的分布等从理论上做了详细分析。 (2)利用三维标准k-ε紊流模型、RNG k-ε紊流模型和Reynolds应力模型,引入VOF法追踪自由表面,采用有限体积法离散方程,以PISO方法对压力场和速度场耦合计算,对180°强曲率弯道水流进行了数值模拟,得到了各紊流模型对该弯道水流的水力特性,包括:自由水面线、纵向流速、弯道环流、紊动能与紊动耗散率等,并与实验结果进行比较。 (3)对于同一种紊流数学模型,采用不同的进口流速分布:常数分布、指数分布、对数分布,得到不同的模拟结果,通过分析对比,表明对进口流速对数分布的模型计算结果与实际吻合较好。 (4)三维数值模拟时,遵循网格应尽量与流线保持一致的原则。对计算区域分区,不同区域采用不同疏密程度的网格,其中关键区域如弯道、变化梯度大的区域如水面线附近网格密,次要位置网格稀,从而有效地控制了网格数目,提高了计算精度。 研究表明,标准k-ε模型不能很好模拟具有强弯曲率的弯道水流,表现出一定的失真;Reynolds应力模型能较为成功地预测弯道水流的紊流场,计算结果令人满意; RNG k-ε模型的计算准确性较Reynolds应力模型差,但计算量小,花费较少的计算机时。随着科学和计算机技术的发展,Reynolds应力模型在研究明渠弯道水流结构中将体现出极大的优越性,从而更好地指导工程实践。


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