植物群水流的多孔介质模型开发及应用

论文摘要

河道中的植被水流可视为多孔介质流动,可采用多孔介质水流模型模拟流动特征。本文基于自主开发的带有自由表面水流计算模型耦合多孔介质模型,开发了模拟植被水流的数值模型。水流模型基于静压假定的浅水流动假设,自由表面的捕获采用垂向坐标变换方法,植被区通过时空变化的孔隙率进行模拟。通过与实验数据对比模拟流场的湍流强度和速度分布规律,对所开发的多孔介质水流模型进行验证。验证结果表明,该模型适用于植被水流的宏观效应模拟,包括尾流区流动特征等。并且与多体结构相比,多孔介质模型计算模拟精度较高,计算精度有一定的保证,因此可进一步应用于大尺度植被水流运动特征的研究。在此基础上本文将该模型分别应用于单柱群绕流和多柱群绕流的研究问题中,单柱群绕流的结果分析主要涉及到横向速度和流向速度、瞬时脉动均方根速度、尾迹结构特征和床面剪应力的变化规律。结果表明,流体的水动力学特征受柱群的固体体积分数的影响。串列双柱群的结果分析主要涉及到横向速度和流向速度、瞬时脉动均方根速度、尾迹结构特征、涡脱频率等变化规律。研究表明,串列等直径双柱群圆心间的距离和固体体积分数都会对流场的水动力学特性造成影响。此外,串列等直径柱群的流场中只能检测到唯一的涡脱频率,从而只存在唯一的斯托劳哈数。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及研究意义
•   1.2 国内外研究现状及发展趋势
•     1.2.1 物理实验
•     1.2.2 数值模拟研究
•   1.3 本文主要研究内容
• 第二章 自由表面水流与多孔介质耦合模型建立
•   2.1 多孔介质模型
•   2.2 控制方程描述
•     2.2.1 三维控制方程
•     2.2.2 湍流模型
•   2.3 数值方法
•     2.3.1 控制方程离散
•     2.3.2 静压方程求解
•   2.4 本章小结
• 第三章 模型验证及多孔介质区域绕流模拟结果分析
•   3.1 水平计算区域
•   3.2 稳定明渠流模拟验证
•   3.3 网格收敛性验证
•   3.4 模型验证及绕多孔介质水流模拟结果分析
•     3.4.1 时均流场结果分析
•     3.4.2 瞬时流场结果分析
•     3.4.3 床面剪应力分布
•   3.5 本章小结
• 第四章 串列多孔介质区域绕流场数值模拟及分析
•   4.1 前言
•   4.2 计算域及模拟工况
•   4.3 模拟结果分析
•     4.3.1 时均流场分析
•     4.3.2 瞬时流场分析
•     4.3.3 涡旋脱落频率
•   4.4 流场分类
•   4.5 本章总结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴梦瑶

导师: 张景新

关键词: 多孔介质模型,尾迹结构特征,固体体积分数,斯托劳哈数

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 上海交通大学

分类号: O357.3

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.001778

总页数: 89

文件大小: 6780K

下载量: 24