曲線坐標(biāo)系下水動(dòng)力模型的修正研究及應(yīng)用.pdf

1、在水利建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的許多領(lǐng)域中,研究水流和伴隨著水流的熱輸運(yùn)、物質(zhì)輸運(yùn)都具有極其重要的意義。江、河、湖、海以及地下的水體晝夜不停地運(yùn)動(dòng),攜帶著熱量、泥沙、鹽份和各類污染物質(zhì),改變著我們的生活環(huán)境。為了興水利、除水害、作為水資源綜合利用的第一步,必須探明水流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和伴隨水流發(fā)生的熱輸運(yùn)、物質(zhì)輸運(yùn)的規(guī)律。對(duì)水流和輸運(yùn)現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè),工程設(shè)計(jì)人員才能從大量的方案中選取最優(yōu)設(shè)計(jì)方案,并保證其設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)水流和輸運(yùn)現(xiàn)象,還能幫

2、助我們預(yù)報(bào)乃至控制一些潛在的災(zāi)禍,如水體污染、洪水、潮汐等。預(yù)測(cè)的實(shí)質(zhì),是在給定的物理?xiàng)l件下,求出控制著物理過程的若干變量在空間的分布和隨時(shí)間的演變。預(yù)測(cè)的方法,基本上可分為兩類：實(shí)驗(yàn)研究和理論計(jì)算。本文采用理論計(jì)算的方法,基于現(xiàn)代紊流理論、現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算方法建立適合描述水利工程中紊流規(guī)律的非線性數(shù)值模型,即曲線坐標(biāo)系下的二、三維紊流水動(dòng)力模型,旨在提高紊流精細(xì)模擬的實(shí)用性,以求有效地解決水利工程中的水流和輸運(yùn)現(xiàn)象的實(shí)際問題。因此,該研究

3、既具有理論意義,又具有工程實(shí)用價(jià)值。本文的主要研究?jī)?nèi)容：1)對(duì)選題的目的和意義進(jìn)行了論述；對(duì)水流與水質(zhì)數(shù)值模擬發(fā)展的現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和評(píng)述,并提出了本文的研究問題；對(duì)現(xiàn)代紊流理論、數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)的綜述、歸納和總結(jié),并提出了本文采用的模型與方法；對(duì)紊流數(shù)值計(jì)算中的關(guān)鍵性技術(shù)問題(離散方法、自由表面位置的確定問題、復(fù)雜邊界的處理方法等)進(jìn)行了詳細(xì)的綜述和研究。2)提出一種生成正交曲線網(wǎng)格的新方法,收斂速度快,在復(fù)雜邊界流場(chǎng)區(qū)域的

4、數(shù)值計(jì)算中,有很大的實(shí)用價(jià)值。3)基于正交曲線擬合坐標(biāo)系,建立了一種模擬二維非恒定彎曲邊界明渠紊流的深度平均模型,并對(duì)流速深度平均值和二次流流速分布之間的差異所帶來的影響進(jìn)行修正,使其計(jì)入二次流的影響。采用修正的紊流模型計(jì)算紊動(dòng)應(yīng)力項(xiàng)；采用正交曲線擬合坐標(biāo)技術(shù)處理復(fù)雜的實(shí)際計(jì)算域邊界；采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證所建計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性,計(jì)算結(jié)果都與實(shí)驗(yàn)值有很好的一致性,從而證明流速深度平均值和二次流流速分布之間的差異帶來的彌散應(yīng)力項(xiàng)是影響大曲

5、率彎道流動(dòng)的最主要的應(yīng)力。4)為了克服復(fù)雜幾何邊界給數(shù)值計(jì)算帶來的困難,提高通用性以及水流的預(yù)測(cè)精度,本文將采用上述網(wǎng)格生成技術(shù),將直角坐標(biāo)系三維非恒定明渠紊流的數(shù)值模型,發(fā)展成曲線坐標(biāo)系系統(tǒng)的多層紊流水動(dòng)力模型,即平面上采用曲線擬合坐標(biāo)系,在垂直方向采用sigema坐標(biāo)變換。一般的曲線坐標(biāo)和非交錯(cuò)網(wǎng)格系統(tǒng)的應(yīng)用增強(qiáng)了模型計(jì)算復(fù)雜邊界的三維流動(dòng)的能力。5)為了提高模擬具有自由表面,受顯著曲率壁面影響的彎曲明渠水流的能力,本文對(duì)曲線坐標(biāo)系