發(fā)布時間：2020-08-21 19:29

【摘要】：流動的分離與再附著是自然界、工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中常見的流動現(xiàn)象。臺階后流動雖然結(jié)構(gòu)簡單,卻包含流動分離與再附著的所有特征,因此,這種模型成為對分離與再附著流動進(jìn)行研究的典型代表。在河道突擴(kuò)、泄洪洞中跌坎后的突擴(kuò)分離流動等水利工程中,流動的分離與再附著往往伴隨有空化與空蝕現(xiàn)象的發(fā)生,因此對臺階后流動進(jìn)行研究,找到并改善容易發(fā)生空蝕的位置在水利工程中顯得尤為重要。本文通過相應(yīng)的理論基礎(chǔ),采用PIV試驗(yàn)及數(shù)值模擬方法對臺階后水流流動特性進(jìn)行研究。采用粒子圖像測速技術(shù)(PIV)對Re在500~80000之間的40種雷諾數(shù)下臺階后水流進(jìn)行測量,使用Realizable k-ε湍流模型對這40種雷諾數(shù)下臺階后水流進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)合試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析臺階后水流的二維及三維時均流動特性。使用大渦數(shù)值模擬方法對Re=3040下臺階后水流進(jìn)行數(shù)值模擬,分別設(shè)置3組不同的計(jì)算條件,從網(wǎng)格粗細(xì)、亞格子模式及壓力-速度耦合算法等幾個方面對模型進(jìn)行驗(yàn)證,并分析水流的瞬時流動特性。主要結(jié)論如下:(1)臺階后回流區(qū)長度X_r/h隨著雷諾數(shù)的增加先增加后減小,最終穩(wěn)定在6.6附近;二次回流區(qū)的長度隨著雷諾數(shù)的增加逐漸減小,臺階處二次回流渦的尺寸逐漸減小。(2)低雷諾數(shù)下,臺階高度以下湍動能呈拋物線分布,沿程逐漸減小,回流區(qū)內(nèi)中心斷面處流速最大;臺階高度以上湍動能呈S型分布,中心斷面處流速較低。高雷諾數(shù)下,臺階高度以下回流區(qū)內(nèi)湍動能沿程增加,離開回流區(qū)后沿程逐漸減小;臺階高度以上湍動能沿程逐漸增加,流速受臺階后回流區(qū)漩渦的影響較小。臺階后水流湍動能最大值的位置沿程逐漸降低。(3)不同的網(wǎng)格粗細(xì)對大渦數(shù)值模擬結(jié)果的影響比較大,網(wǎng)格越細(xì),結(jié)果越精確,但耗費(fèi)的時間越長;不同的亞格子模式對大渦數(shù)值模擬結(jié)果的影響比較大,采用Smagorinsky-Lilly動力模式模擬所得結(jié)果明顯優(yōu)于采用Smagorinsky-Lilly模式和采用WALE模式模擬所得結(jié)果,但模擬所耗費(fèi)時間也有所增加;不同的壓力-速度耦合算法對大渦數(shù)值模擬結(jié)果的影響較小,采用PISO算法模擬所得結(jié)果優(yōu)于采用SIMPLE算法和采用SIMPLEC算法所得結(jié)果。(4)臺階后水流啟動過程可以分為四個階段:a)起動渦產(chǎn)生階段,b)起動渦脫離階段,c)其他漩渦產(chǎn)生階段,d)起動渦破碎階段。臺階后水流流場中的漩渦經(jīng)歷了生成、發(fā)展、遷移和破碎四個階段;在回流區(qū)之后,水流的躍起過程也經(jīng)歷了生成、發(fā)展、遷移、消失四個階段。
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TV131.6
【圖文】：

流動的分離與再附著是自然界、工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中常見的流動現(xiàn)象，例如河道突擴(kuò)、發(fā)動機(jī)燃燒室及氣體繞建筑物流動等。由于臺階后流動的分離點(diǎn)固定、結(jié)構(gòu)簡單、包含所有分離與再附著流動的重要特征并且常出現(xiàn)在復(fù)雜的湍流流動中，因此對臺階后流體的流動特性進(jìn)行深入研究，揭示和探討臺階對流動的影響，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。圖 1.1 為這種典型流動的示意圖。圖 1.1 臺階后流動流場示意圖后向臺階流動廣泛的存在于各種水利工程中，如泄洪洞中跌坎后的突擴(kuò)分離流動、船閘閥門及高壩深孔出口后的突擴(kuò)分離流動和管道截面突擴(kuò)等。圖 1.2 為幾種典型的包含后向臺階流動現(xiàn)象的水利工程。

工程碩士學(xué)位論文第 1 章 緒 論 研究背景及意義流動的分離與再附著是自然界、工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中常見的流例如河道突擴(kuò)、發(fā)動機(jī)燃燒室及氣體繞建筑物流動等。由于臺階后流動固定、結(jié)構(gòu)簡單、包含所有分離與再附著流動的重要特征并且常出現(xiàn)在流流動中，因此對臺階后流體的流動特性進(jìn)行深入研究，揭示和探討臺的影響，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。圖 1.1 為這種典型流動的示意

圖 1.3 大迎角機(jī)翼流體分離過程 圖 1.4 風(fēng)吹建筑物流體分離過程當(dāng)流體發(fā)生分離的時候，往往伴隨有大小不同的漩渦的產(chǎn)生，這些漩渦含有大量的脈動能量。當(dāng)這些漩渦與壁面重新接觸后會與壁面發(fā)生較大的動熱量交換。因此，對剪切層內(nèi)漩渦結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生與發(fā)展進(jìn)行控制是工程中研究點(diǎn)。現(xiàn)如今，對湍流的研究包括理論研究、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究。其中值模擬的方法主要有 3 種，根據(jù)其建立的湍流模型的不同可以分為直接數(shù)值（DNS）、雷諾平均模擬（RANS）和大渦數(shù)值模擬（LES）。直接數(shù)值模擬是動的控制方程進(jìn)行直接求解，它不需要對湍流建立模型。但由于湍流是不規(guī)動，并且具有多尺度性，因此要獲得流動的所有信息需要耗費(fèi)巨大的計(jì)算機(jī)及時間，故現(xiàn)如今直接數(shù)值模擬只能計(jì)算低雷諾數(shù)的簡單湍流流動，不能大推廣應(yīng)用。雷諾平均數(shù)值模擬是對湍流建立模型，只需要計(jì)算平均運(yùn)動而不計(jì)算各尺度的湍流脈動，因此對計(jì)算機(jī)的要求較低，是工程上使用最廣泛的模擬方法。但雷諾平均數(shù)值模擬值只能得到湍流的平均信息，而這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠大渦模擬的思想是直接數(shù)值求解大尺度湍流，對小尺度湍流脈動建立模型。

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