【摘要】：固液兩相流問(wèn)題廣泛存在于水利、環(huán)境、能源和化工等領(lǐng)域中,最典型的如水利工程中水沙運(yùn)動(dòng)及河床沖淤變化、環(huán)境工程中的污染物排放等。對(duì)水利工程中的涉沙問(wèn)題及環(huán)境工程中的污染物排放問(wèn)題的研究有助于了解泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律和污染物擴(kuò)散輸移規(guī)律,可以更好的預(yù)測(cè)沙床形變趨勢(shì)和污染物分布規(guī)律。 本文采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法對(duì)水流沖刷沙床、含沙射流及擴(kuò)散器污染物排放等典型固液兩相流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行精細(xì)化研究。全文主要探討了如下幾個(gè)方面的問(wèn)題： 1、詳細(xì)介紹了歐拉(Eulerian)雙流體模型和混合(Mixture)雙流體模型。其中Eulerian雙流體模型假設(shè)沙相為充滿整個(gè)流場(chǎng)的連續(xù)介質(zhì),分別對(duì)每一相求解一組連續(xù)性方程和動(dòng)量方程,水-沙兩相間的作用通過(guò)相間動(dòng)量交換體現(xiàn),采用改進(jìn)的兩相紊流模型耦合Eulerian雙流體模型。而Mixture模型是一種簡(jiǎn)化的雙流體模型,它假定在微小空間尺度上局部平衡,來(lái)求解混合相的動(dòng)量、連續(xù)性和能量方程,以及第二相的體積分率、滑移速度和漂移速度,采用改進(jìn)后的標(biāo)準(zhǔn)k-ε流模型耦合Mixture模型。 2、對(duì)剖面二維淹沒(méi)垂向射流沖刷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究,分析研究了沖刷水深、射流初始流速對(duì)沖刷坑形態(tài)的影響,發(fā)現(xiàn)了垂向射流沖刷坑形態(tài)的自相似性規(guī)律,運(yùn)用量綱分析法和回歸分析法推導(dǎo)出了靜態(tài)平衡和動(dòng)態(tài)平衡兩種狀態(tài)下的沖刷坑最大沖深的半經(jīng)驗(yàn)公式,并且給出了沖刷坑其它特征長(zhǎng)度與最大沖深關(guān)系的表達(dá)式。 3、采用Eulerian雙流體模型對(duì)二維垂向淹沒(méi)射流、二維平壁淹沒(méi)射流作用下的無(wú)粘性沙床沖刷及壩前沖刷漏斗形成過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。 分別針對(duì)軸對(duì)稱垂向淹沒(méi)射流試驗(yàn)和剖面二維垂向淹沒(méi)射流試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,沖坑剖面形態(tài)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。分析結(jié)果表明：不同沖刷強(qiáng)度下射流水體速度場(chǎng)具有不同的特征；沙粒受水體作用力、重力和沙粒間的摩擦力的綜合作用,在沙粒的密度、直徑、孔隙度等參數(shù)均相同的條件下,水體作用力決定沙粒的運(yùn)動(dòng)方式,從而影響沖坑的最終形態(tài)；孔隙度是影響沖坑形態(tài)的重要因素,隨著孔隙度的增加,孔隙水的流速增大,沖坑深度增加。 對(duì)二維平壁射流沖刷沙床過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。合理闡釋了動(dòng)態(tài)沖刷結(jié)果與靜態(tài)結(jié)果之間產(chǎn)生差異的原因；采用分步計(jì)算的方法解決了因顆粒-紊流相互作用參數(shù)化不完全及水流調(diào)整滯后與床面形變引起的沙丘堆積失真問(wèn)題。 對(duì)壩前沖刷漏斗形態(tài)產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。密度弗氏數(shù)Fo是造成漏斗沖刷坑變化的最主要因素,最大沖刷坑深度、長(zhǎng)度和寬度分別與密度弗氏數(shù)Fo成線性關(guān)系；沖坑深度Dc和沖坑半寬Wr沿沖刷漏斗中心線按一定規(guī)律變化,不同橫斷面上的沖坑深度D變化呈高斯分布,滿足自相似性規(guī)律：在漏斗出口附近,水流流速分布呈源匯狀,各方位角θ斷面上的水流相互對(duì)沖作用及邊壁、沙層對(duì)水流的阻礙作用產(chǎn)生的綜合效應(yīng)導(dǎo)致在近沙層表面形成渦旋；在沙粒的密度、直徑、孔隙度等參數(shù)均相同的條件下,孔隙水體中與外界的交換水是造成沙粒運(yùn)動(dòng)的主要因素。 4、采用Mixture雙流體模型對(duì)靜止均勻環(huán)境中垂向含沙射流及顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)資料吻合較好。進(jìn)而在模型試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,分析了水相和沙相的流場(chǎng)特征,研究了射流出口水力參數(shù)和幾何參數(shù)對(duì)射流范圍的影響。分析結(jié)果表明：含沙水流初始速度越大,向射流軸線四周傳播的范圍越��；含沙射流受環(huán)境水體影響越小(St越大),紊動(dòng)能k和紊動(dòng)能耗散率ε在射流軸線附近分布越集中,衰減速度相對(duì)越快。對(duì)于不同的斯托克斯數(shù)St,含沙射流充分發(fā)展后不同x斷面上的濃度和速度分布滿足自相似性；沙粒流速沿射流軸線衰減程度小于水流流速沿射流軸線衰減程度,射流軸線顆粒流速滿足自相似性。沙粒形態(tài)分布與斯托克斯數(shù)St緊密相關(guān),當(dāng)斯托克斯數(shù)St較小時(shí)(St=0.39),相對(duì)流速較小且分布均勻,表示沙粒與水流幾乎是同步擴(kuò)散；當(dāng)斯托克斯數(shù)St相對(duì)比較大時(shí)(St=3.08),只有少數(shù)顆粒在徑向上有較大相對(duì)流速,而大多數(shù)顆粒都是沿射流方向高速運(yùn)動(dòng),表明大多數(shù)顆粒幾乎不在徑向上發(fā)生擴(kuò)散,而是沿射流方向做直線高速流動(dòng)。 5、采用Eulerian雙流體模型對(duì)靜止均勻環(huán)境中逆向含沙射流及沙粒沉積進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。進(jìn)而在模型試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,分析了水相和沙相的流場(chǎng)特征。分析結(jié)果表明：逆向含沙射流初始速度越大,向射流軸線四周傳播的范圍越廣；紊動(dòng)能k和紊動(dòng)能耗散率ε在射流出口后急劇下降,其衰減速度大于流速的沿程衰減速度,而后達(dá)一個(gè)較小的定值；對(duì)于不同的密度弗氏數(shù)Fo,沉沙形態(tài)滿足自相似性,水沙相流速、密度差和湍動(dòng)能沿射流軸線變化趨勢(shì)一致,并滿足自相似性；沙粒流速沿軸線衰減程度大于水流流速沿射流軸線衰減程度,泥沙顆粒的沉降速度越大,顆粒向射流軸線四周傳播的范圍越小。 6、利用Mixture模型對(duì)三維不可壓縮兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算來(lái)研究近海橫流環(huán)境中的多孔擴(kuò)散器排放污染物問(wèn)題。對(duì)不同水流弗氏數(shù)F條件下的兩種典型擴(kuò)散器排放污染物模式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,研究污染物的分布和流動(dòng)特性。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。進(jìn)而在模型試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,分析了水相和污染相的流動(dòng)特征,研究了擴(kuò)散器排布方式對(duì)污染物稀釋度、污染物分布的影響。分析結(jié)果表明：在窄擴(kuò)散器條件下,康達(dá)效應(yīng)明顯,出現(xiàn)了類(lèi)分叉現(xiàn)象,擴(kuò)散器射流馬蹄形結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速呈扁平狀,基于濃度的射流軌跡線要滯后于基于流速的射流軌跡線；在寬擴(kuò)散器條件下,康達(dá)效應(yīng)不明顯,出現(xiàn)分叉現(xiàn)象,擴(kuò)散器射流馬蹄形結(jié)構(gòu)發(fā)展緩慢呈橢圓狀,基于濃度的射流軌跡線與基于流速的射流軌跡線基本一致；在擴(kuò)散器處縱向平面(y=0.304)上的紊動(dòng)能k和紊動(dòng)能耗散率ε自擴(kuò)散器出口經(jīng)歷了先下降再上升最后趨于一個(gè)定值的沿程變化過(guò)程,其中在下降階段,窄擴(kuò)散器條件下的沿程衰減速度大于寬擴(kuò)散器條件下的衰減速度,當(dāng)污染物臨近水面時(shí),紊動(dòng)能和耗散率上升,在水面處達(dá)最大值。
【圖文】：

起始段I過(guò)渡段丨主體段圖1-1紊"動(dòng)射流分區(qū)圖1.3.1.3紊動(dòng)射流的分析方法對(duì)紊流射流的研宄，主要在于確定射流軸線的軌跡、射流擴(kuò)展的范圍和射流軸線流速的分布（余常昭，1993)。而對(duì)于變密度、非等溫和挾有污染物的射流還要考慮密度分布、溫度分布和污染物濃度分布。對(duì)于這類(lèi)紊動(dòng)射流問(wèn)題的分析方法主要有(董志勇，1997):第一，依托實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，采用量綱分析整理試驗(yàn)資料，擬合經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。這種以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的分析方法經(jīng)驗(yàn)性比較大，但對(duì)于復(fù)雜的紊動(dòng)射流問(wèn)題，不失為一種有效可行的方法。第二，通過(guò)理論分析方法研宄紊動(dòng)射流，通過(guò)求解射流邊界層偏微分方程

試驗(yàn)在長(zhǎng)、寬、高分別為0.91m、0.3m、0.5m的玻璃水槽中進(jìn)行（圖3-1),在水槽底部鋪設(shè)非粘性均勻沙層，沙粒粒徑為Z)=2mm,沙密度為2650kg/m3。以水槽底高程為基準(zhǔn)，初始沙層厚度為0.09ni，，水深為0.24m。水槽除自由液面夕卜，其它邊壁均為不透水壁面，其中水槽四周為有機(jī)玻璃，便于觀察試驗(yàn)現(xiàn)象。為了保持試驗(yàn)水槽內(nèi)的水深不變，維持靜水狀態(tài)，在水槽與上下游銜接處設(shè)置溢流堰。試驗(yàn)用水為水庫(kù)的靜置自來(lái)水。在孔口寬度一定的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)流量閥來(lái)控制射流流速，孔口流速為t/。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：O359;TV14

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 倪晉仁,王光謙;高濃度恒定固液兩相流運(yùn)動(dòng)機(jī)理探析:Ⅰ.理論[J];水利學(xué)報(bào);2000年05期

2 倪晉仁,王光謙;高濃度恒定固液兩相流運(yùn)動(dòng)機(jī)理探析:Ⅱ.應(yīng)用[J];水利學(xué)報(bào);2000年05期

3 宋玲;;固液兩相流泵的研究現(xiàn)狀分析[J];科技資訊;2010年07期

4 劉宜;喬金宇;;固液兩相流綜合試驗(yàn)臺(tái)管路設(shè)計(jì)[J];甘肅科學(xué)學(xué)報(bào);2012年03期

5 劉希圣;朱國(guó)新;丁崗;;固液兩相流中固相速度的測(cè)量方法及裝置[J];實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理;1988年01期

6 陸力;固液兩相流體中的空泡振蕩計(jì)算[J];水科學(xué)進(jìn)展;1991年03期

7 夏廣嵐;姜永梅;于峰;姚嘉;盧偉;;固液兩相流泵的關(guān)鍵技術(shù)分析[J];黑龍江科技信息;2010年20期

8 劉佑華,程良駿;固液兩相流中水輪機(jī)基本方程式及相似準(zhǔn)則[J];水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯);1992年03期

9 劉佑華,程良駿;水力機(jī)械中固液兩相流研究——水力機(jī)械中固液兩相流基本方程組[J];水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯);1993年03期

10 倪晉仁,王光謙,廖謙;高濃度固液兩相流中泥沙分布的修正公式[J];泥沙研究;1999年05期

相關(guān)會(huì)議論文 前3條

1 尹樹(shù)孟;陳國(guó)明;周昌靜;陳永超;;圓錐圓盤(pán)泵固液兩相流動(dòng)及泵外特性數(shù)值分析[A];2011年石油裝備學(xué)術(shù)研討會(huì)論文專輯[C];2011年

2 王開(kāi)繼;李昌烽;;細(xì)顆粒泥沙對(duì)離心泵工作特性影響的數(shù)值研究[A];中國(guó)力學(xué)大會(huì)——2013論文摘要集[C];2013年

3 趙璐;陳少峰;張海華;季越紅;張寧;;新型防泥沙裝置固液兩相流數(shù)值模擬研究[A];第十三屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議暨第二十六屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)論文集——C計(jì)算流體力學(xué)[C];2014年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 薛萬(wàn)云;固液兩相流運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究及兩相流模型在工程中的應(yīng)用[D];武漢大學(xué);2014年

2 李f3;離心泵內(nèi)部固液兩相流動(dòng)數(shù)值模擬與磨損特性研究[D];浙江理工大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 邱耀德;固體顆粒水力輸送中CTAB的減阻實(shí)驗(yàn)研究[D];湖南工業(yè)大學(xué);2015年

2 孟琦;蒸汽吞吐后水平井筒內(nèi)固液兩相流動(dòng)規(guī)律研究[D];東北石油大學(xué);2015年

3 丁榮;雙葉片泵內(nèi)固液兩相流數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試[D];江蘇大學(xué);2016年

4 陳有斌;固相顆粒在旋流場(chǎng)作用下的運(yùn)移動(dòng)力學(xué)特性研究[D];東北石油大學(xué);2016年

5 肖春艷;長(zhǎng)短葉片離心泵內(nèi)固液兩相流場(chǎng)三維數(shù)值模擬研究[D];遼寧工程技術(shù)大學(xué);2015年

6 金釗;離心式固液兩相流泵葉輪的振動(dòng)特性分析[D];遼寧工程技術(shù)大學(xué);2014年

7 樊曉芳;固液兩相流離心泵的設(shè)計(jì)與性能研究[D];華北電力大學(xué)（北京）;2006年

8 秦武;固液兩相流離心泵內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究[D];長(zhǎng)沙理工大學(xué);2009年

9 劉彥;固液兩相流動(dòng)邊界層的數(shù)學(xué)模型及流場(chǎng)計(jì)算[D];甘肅工業(yè)大學(xué);2001年

10 王藝萍;粒子法與網(wǎng)格法的耦合及在固液兩相流中的應(yīng)用[D];華北電力大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2562747