曲線坐標系下水動力模型的修正研究及應用.pdf

1、在水利建設和國民經(jīng)濟建設的許多領域中,研究水流和伴隨著水流的熱輸運、物質(zhì)輸運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動,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,必須探明水流運動的規(guī)律和伴隨水流發(fā)生的熱輸運、物質(zhì)輸運的規(guī)律。對水流和輸運現(xiàn)象進行預測,工程設計人員才能從大量的方案中選取最優(yōu)設計方案,并保證其設計得以實現(xiàn)。準確地預測水流和輸運現(xiàn)象,還能幫

2、助我們預報乃至控制一些潛在的災禍,如水體污染、洪水、潮汐等。預測的實質(zhì),是在給定的物理條件下,求出控制著物理過程的若干變量在空間的分布和隨時間的演變。預測的方法,基本上可分為兩類：實驗研究和理論計算。本文采用理論計算的方法,基于現(xiàn)代紊流理論、現(xiàn)代數(shù)值計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,即曲線坐標系下的二、三維紊流水動力模型,旨在提高紊流精細模擬的實用性,以求有效地解決水利工程中的水流和輸運現(xiàn)象的實際問題。因此,該研究

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

4、數(shù)值計算中,有很大的實用價值。3)基于正交曲線擬合坐標系,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行修正,使其計入二次流的影響。采用修正的紊流模型計算紊動應力項；采用正交曲線擬合坐標技術處理復雜的實際計算域邊界；采用試驗數(shù)據(jù)驗證所建計算模型的準確性和適應性,計算結(jié)果都與實驗值有很好的一致性,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力項是影響大曲

5、率彎道流動的最主要的應力。4)為了克服復雜幾何邊界給數(shù)值計算帶來的困難,提高通用性以及水流的預測精度,本文將采用上述網(wǎng)格生成技術,將直角坐標系三維非恒定明渠紊流的數(shù)值模型,發(fā)展成曲線坐標系系統(tǒng)的多層紊流水動力模型,即平面上采用曲線擬合坐標系,在垂直方向采用sigema坐標變換。一般的曲線坐標和非交錯網(wǎng)格系統(tǒng)的應用增強了模型計算復雜邊界的三維流動的能力。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,本文對曲線坐標系