台阶后水流水力特性的试验及其数值模拟研究

论文摘要

流动的分离与再附着是自然界、工业生产和人们的日常生活中常见的流动现象。台阶后流动虽然结构简单,却包含流动分离与再附着的所有特征,因此,这种模型成为对分离与再附着流动进行研究的典型代表。在河道突扩、泄洪洞中跌坎后的突扩分离流动等水利工程中,流动的分离与再附着往往伴随有空化与空蚀现象的发生,因此对台阶后流动进行研究,找到并改善容易发生空蚀的位置在水利工程中显得尤为重要。本文通过相应的理论基础,采用PIV试验及数值模拟方法对台阶后水流流动特性进行研究。采用粒子图像测速技术（PIV）对Re在50080000之间的40种雷诺数下台阶后水流进行测量,使用Realizable k-ε湍流模型对这40种雷诺数下台阶后水流进行数值模拟,结合试验与数值模拟分析台阶后水流的二维及三维时均流动特性。使用大涡数值模拟方法对Re=3040下台阶后水流进行数值模拟,分别设置3组不同的计算条件,从网格粗细、亚格子模式及压力-速度耦合算法等几个方面对模型进行验证,并分析水流的瞬时流动特性。主要结论如下:（1）台阶后回流区长度Xr/h随着雷诺数的增加先增加后减小,最终稳定在6.6附近;二次回流区的长度随着雷诺数的增加逐渐减小,台阶处二次回流涡的尺寸逐渐减小。（2）低雷诺数下,台阶高度以下湍动能呈抛物线分布,沿程逐渐减小,回流区内中心断面处流速最大;台阶高度以上湍动能呈S型分布,中心断面处流速较低。高雷诺数下,台阶高度以下回流区内湍动能沿程增加,离开回流区后沿程逐渐减小;台阶高度以上湍动能沿程逐渐增加,流速受台阶后回流区漩涡的影响较小。台阶后水流湍动能最大值的位置沿程逐渐降低。（3）不同的网格粗细对大涡数值模拟结果的影响比较大,网格越细,结果越精确,但耗费的时间越长;不同的亚格子模式对大涡数值模拟结果的影响比较大,采用Smagorinsky-Lilly动力模式模拟所得结果明显优于采用Smagorinsky-Lilly模式和采用WALE模式模拟所得结果,但模拟所耗费时间也有所增加;不同的压力-速度耦合算法对大涡数值模拟结果的影响较小,采用PISO算法模拟所得结果优于采用SIMPLE算法和采用SIMPLEC算法所得结果。（4）台阶后水流启动过程可以分为四个阶段:a)起动涡产生阶段,b)起动涡脱离阶段,c)其他漩涡产生阶段,d)起动涡破碎阶段。台阶后水流流场中的漩涡经历了生成、发展、迁移和破碎四个阶段;在回流区之后,水流的跃起过程也经历了生成、发展、迁移、消失四个阶段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 后台阶流的研究进展
•     1.2.1 回流区长度变化规律
•     1.2.2 台阶后漩涡结构特征
•     1.2.3 台阶后起动涡特征
•     1.2.4 流体流动的水力特性
•     1.2.5 精密量测仪器及高新技术的应用
•   1.3 数值模拟的研究进展
•     1.3.1 直接数值模拟研究进展
•     1.3.2 雷诺平均数值模拟研究进展
•     1.3.3 大涡模拟研究进展
•   1.4 本文的工作
•     1.4.1 研究目标
•     1.4.2 研究内容
•     1.4.3 技术路线
• 第2章 台阶后水流流动的试验研究
•   2.1 PIV技术原理与系统组成
•     2.1.1 PIV技术原理
•     2.1.2 PIV系统组成
•     2.1.3 粒子图像互相关理论
•   2.2 试验装置
•   2.3 试验过程
•   2.4 小结
• 第3章 台阶后水流流动的时均水力特性研究
•   3.1 数值模拟
•     3.1.1 基本方程
•     3.1.2 湍流模型
•     3.1.3 几何模型
•     3.1.4 壁面函数
•     3.1.5 网格划分
•     3.1.6 边界条件及初始条件
•   3.2 二维流动特性分析
•     3.2.1 二维流场结构特性分析
•     3.2.2 回流区长度特性分析
•   3.3 三维流动特性分析
•     3.3.1 三维流场结构特性分析
•     3.3.2 三维流速分布特性分析
•     3.3.3 三维压力分布特性分析
•     3.3.4 三维湍动能分布特性分析
•   3.4 小结
• 第4章 台阶后水流流动的瞬时特性分析
•   4.1 大涡模拟数学模型
•     4.1.1 脉动的过滤
•     4.1.2 大涡模拟控制方程
•     4.1.3 常用的亚格子模型
•   4.2 数值模拟
•     4.2.1 几何模型
•     4.2.2 网格划分
•     4.2.3 边界条件
•   4.3 模型验证
•     4.3.1 网格无关性验证
•     4.3.2 亚格子模式的影响
•     4.3.3 耦合算法影响
•   4.4 结果分析
•     4.4.1 流场启动流分析
•     4.4.2 瞬时流场结构分析
•     4.4.3 两种数值模拟结果对比
•   4.5 小结
• 结论及展望
•   结论
•   展望
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 闫宸锋

导师: 赵文举,樊新建

关键词: 台阶后流动,试验测量,大涡模拟,流动特性

来源: 兰州理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 兰州理工大学

分类号: TV131.6

总页数: 81

文件大小: 4328K

下载量: 151