分層環(huán)境中水流及污染物擴(kuò)散輸移數(shù)值模擬.pdf

1、分層流動(dòng)是自然界很普遍的一種流動(dòng)現(xiàn)象,在分層流中,水體密度不均勻?qū)λ魑蓜?dòng)的影響是十分復(fù)雜的問題,數(shù)值模擬這類分層流也是一項(xiàng)比較困難的工作.尤其是對(duì)同時(shí)存在溫度梯度和鹽度梯度的分層流和三維各向異性湍浮力流的流動(dòng)結(jié)構(gòu),目前針對(duì)此的研究還很少.為此,本文針對(duì)這兩種分層流的流動(dòng)特性,建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算.本文首先以Navier-Stokes方程和κ-ε湍流模型為基礎(chǔ),考慮浮力對(duì)紊動(dòng)的影響,建立了溫度和鹽度分層流的κ-ε模

2、型,模型不僅在控制方程中計(jì)及了密度變化,而且對(duì)湍流Schmidt數(shù)也做了浮力修正.應(yīng)用本文模型,對(duì)同時(shí)存在溫度和鹽度梯度的一類密度分層流進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,計(jì)算結(jié)果正確地反映了分層及紊動(dòng)特征,與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好.由于κ-ε模型是假設(shè)紊動(dòng)各向同性的,對(duì)于很多紊動(dòng)各向異性問題,較難得到滿意的結(jié)果.因此,本文建立了溫度和鹽度分層流應(yīng)力—通量代數(shù)模型,模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果比κ-ε模型更加接近實(shí)測(cè)值,并且較好地體現(xiàn)了湍流各向異性的特征,許多區(qū)域內(nèi)湍

3、流脈動(dòng)在水平方向上較強(qiáng),而在垂直方向上較弱,反映出浮力對(duì)湍流的削弱作用.此外,本文以κ-ε模型為基礎(chǔ),建立了溫度和鹽度分層流雙流體模型,并采用溫度和鹽度凍結(jié)假定,對(duì)溫度和鹽度分層流進(jìn)行了數(shù)值模擬.雙流體模型區(qū)別于單流體模型的最重要特點(diǎn)之一就是相間耦合效應(yīng),即不僅要考察兩相流體本身的湍流輸運(yùn)規(guī)律,而且還考察兩相間質(zhì)量、動(dòng)量和能量的相互作用.將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較,表明本文模型能正確地反映溫度和鹽度分層流的分層及紊動(dòng)特性.彎曲邊界上湍

4、流流動(dòng)的模擬,是傳熱傳質(zhì)研究中的基本問題,對(duì)河道整治、航運(yùn)和城市工業(yè)污水排放等研究有重要意義.因此,本文建立了三維各向異性湍浮力流動(dòng)的應(yīng)力—通量代數(shù)模型,對(duì)彎道中復(fù)雜的三維溫差異重流的湍流流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,并以實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了對(duì)比分析.結(jié)果表明,模型的模擬效果非常滿意,揭示出彎道溫差異重流的湍流流動(dòng)所具有的二次流特征—多環(huán)結(jié)構(gòu)的二次流,這種二次流對(duì)流場(chǎng)整體特性會(huì)產(chǎn)生顯著的影響,從而導(dǎo)致溫度場(chǎng)或污染物濃度場(chǎng)的擴(kuò)散摻混規(guī)律發(fā)生變化.結(jié)果還反