將壁面自適應(yīng)局部渦黏（WALE）模型引入三維格子玻爾茲曼模型,對沙紋床面上的振蕩流邊界層運動進(jìn)行了模擬,并與Smagorinsky模型的模擬結(jié)果進(jìn)行了比較.結(jié)果表明,在振蕩流沙紋床面模擬中,WALE模型與Smagorinsky模型均獲得與已有實驗結(jié)果吻合較好的垂向流速剖面,但WALE模型可以更好地反映粗糙紊流的特性.引入WALE模型的LB模型模擬得到的沙紋床面形狀摩阻系數(shù)和膚面摩阻系數(shù)結(jié)果與前人數(shù)模結(jié)果一致,床面總摩阻力中形狀摩阻相比膚面摩阻占主要部分.該模型可進(jìn)一步應(yīng)用于振蕩流作用下沙紋床面紊流邊界層運動特性的系統(tǒng)研究. 

【文章來源】：天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版). 2019,52(04)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

Half-way反彈格式曲線邊界示意Fig.1CurvedboundaryofHalf-waybounce-backboundarycondition

?實愎斕?運動幅值a為特征長度，振蕩流水質(zhì)點運動速度幅值0U為特征速度，無量綱化的沙紋長度/a＝2.2，沙紋坡度/＝0.159，為沙紋波高，振幅雷諾數(shù)aRe＝23,163．計算區(qū)域順流向長度4.4xLa，即區(qū)域內(nèi)包含兩個完整沙紋，可以保證計算區(qū)域?qū)挾茸阋园ㄝ^大尺度渦旋結(jié)構(gòu)．計算區(qū)域頂邊界設(shè)為自由滑移邊界，與順流向垂直的兩個邊界和兩個側(cè)邊界均設(shè)置為周期對稱邊界，底邊界即沙紋床面表面設(shè)置為無滑移的固壁邊界．沙紋表面由圓弧組成，沙紋頂峰尖銳，谷底平坦．計算區(qū)域示意圖見圖2．模型各方向的格子數(shù)Nx、Ny和Nz分別為432、412和432．振蕩流流動采用周期性的壓力梯度驅(qū)動．算例共模擬25個振蕩周期，其中前10個周期用來獲得穩(wěn)定的流場，后面15個周期用于結(jié)果分析．算例在天河1號超算中心運行，使用72個CPU，每個算例運行約77h．圖2計算區(qū)域示意Fig.2Computationaldomain3結(jié)果和分析3.1平均流速分布對瞬時水平流速u(y,t)的垂向分布進(jìn)行系綜平均和空間平均，得到圖3所示4個特征位置處的平均流速分布．圖4顯示了不同沙紋位置處平均流速u的垂向分布與實驗結(jié)果的比較，其中模擬值包括WALE模型和Smagorinsky模型的結(jié)果．圖中縱坐標(biāo)的起點為計算底邊界，即沙紋谷底位置．實線為WALE模型結(jié)果，虛線為Smagorinsky模型結(jié)果，圓圈為實驗結(jié)果．受沙紋形狀的影響，在各沙紋位置處的流速分布呈現(xiàn)出明顯的區(qū)別．兩種大渦模擬模型的結(jié)果存在較明顯的差別，Smagorinsky模型在各沙紋表面位置的多個相位結(jié)果偏大，而WALE模型的平均流速分布更接近實驗結(jié)果．圖3沙

尖銳，谷底平坦．計算區(qū)域示意圖見圖2．模型各方向的格子數(shù)Nx、Ny和Nz分別為432、412和432．振蕩流流動采用周期性的壓力梯度驅(qū)動．算例共模擬25個振蕩周期，其中前10個周期用來獲得穩(wěn)定的流場，后面15個周期用于結(jié)果分析．算例在天河1號超算中心運行，使用72個CPU，每個算例運行約77h．圖2計算區(qū)域示意Fig.2Computationaldomain3結(jié)果和分析3.1平均流速分布對瞬時水平流速u(y,t)的垂向分布進(jìn)行系綜平均和空間平均，得到圖3所示4個特征位置處的平均流速分布．圖4顯示了不同沙紋位置處平均流速u的垂向分布與實驗結(jié)果的比較，其中模擬值包括WALE模型和Smagorinsky模型的結(jié)果．圖中縱坐標(biāo)的起點為計算底邊界，即沙紋谷底位置．實線為WALE模型結(jié)果，虛線為Smagorinsky模型結(jié)果，圓圈為實驗結(jié)果．受沙紋形狀的影響，在各沙紋位置處的流速分布呈現(xiàn)出明顯的區(qū)別．兩種大渦模擬模型的結(jié)果存在較明顯的差別，Smagorinsky模型在各沙紋表面位置的多個相位結(jié)果偏大，而WALE模型的平均流速分布更接近實驗結(jié)果．圖3沙紋位置示意Fig.3Locationsofsandripple3.2紊動強(qiáng)度圖5為采用WALE模型和Smagorinsky模型得到的沙紋各位置順流向平均紊動強(qiáng)度2u的垂向分布與實驗結(jié)果的比較．圖中縱坐標(biāo)的起點為計算底邊界，即沙紋谷底位置．在沙紋1/4位置，如圖5(a)中t355°時刻，Smagorinsky模型結(jié)果中紊動強(qiáng)度大值出現(xiàn)的范圍明顯大于實驗結(jié)果，而WALE模型的結(jié)果與實驗結(jié)果更加接近．在沙紋谷底位置，如圖5(d)中t265°時刻，紊動強(qiáng)度?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]粗糙床面振蕩紊流邊界層運動的三維格子玻爾茲曼模擬[J]. 周志博,張慶河.  水動力學(xué)研究與進(jìn)展（A輯）. 2016(04)
[2]振蕩流邊界層中顆粒受力的三維格子玻耳茲曼模擬[J]. 丁磊,張慶河.  水動力學(xué)研究與進(jìn)展A輯. 2010(03)
[3]非線性波作用下非對稱沙紋床面流場特性數(shù)值分析[J]. 程永舟,王永學(xué),蔣昌波.  大連理工大學(xué)學(xué)報. 2008(03)
[4]振蕩層流邊界層運動的格子Boltzmann模擬[J]. 孫亞斌,張慶河,張金鳳.  水動力學(xué)研究與進(jìn)展（A輯）. 2006(03)
[5]沙紋床面上波流共同作用的數(shù)值模擬[J]. 蔣昌波,白玉川,趙子丹,張紅武.  水利學(xué)報. 2005(01)
[6]湍流大渦數(shù)值模擬進(jìn)展[J]. 崔桂香,許春曉,張兆順.  空氣動力學(xué)學(xué)報. 2004(02)
[7]波浪作用下沙紋床面底層流動特性研究[J]. 蔣昌波,白玉川,趙子丹,張紅武.  水科學(xué)進(jìn)展. 2003(03)
[8]波浪作用下渦動沙紋床面的懸沙運動數(shù)值研究[J]. 蔣昌波,白玉川,趙子丹,張紅武.  水利學(xué)報. 2003(03)



本文編號：3414947