台阶后水流水力特性的试验及其数值模拟研究

题名	台阶后水流水力特性的试验及其数值模拟研究
作者	闫宸锋
导师	赵文举 ; 樊新建
答辩日期	2019
学位名称	硕士
关键词	台阶后流动 PIV试验测量大涡模拟流动特性
摘要	流动的分离与再附着是自然界、工业生产和人们的日常生活中常见的流动现象。台阶后流动虽然结构简单,却包含流动分离与再附着的所有特征,因此,这种模型成为对分离与再附着流动进行研究的典型代表。在河道突扩、泄洪洞中跌坎后的突扩分离流动等水利工程中,流动的分离与再附着往往伴随有空化与空蚀现象的发生,因此对台阶后流动进行研究,找到并改善容易发生空蚀的位置在水利工程中显得尤为重要。本文通过相应的理论基础,采用PIV试验及数值模拟方法对台阶后水流流动特性进行研究。采用粒子图像测速技术(PIV)对Re在500~80000之间的40种雷诺数下台阶后水流进行测量,使用Realizable k-ε湍流模型对这40种雷诺数下台阶后水流进行数值模拟,结合试验与数值模拟分析台阶后水流的二维及三维时均流动特性。使用大涡数值模拟方法对Re=3040下台阶后水流进行数值模拟,分别设置3组不同的计算条件,从网格粗细、亚格子模式及压力-速度耦合算法等几个方面对模型进行验证,并分析水流的瞬时流动特性。主要结论如下:(1)台阶后回流区长度X_r/h随着雷诺数的增加先增加后减小,最终稳定在6.6附近;二次回流区的长度随着雷诺数的增加逐渐减小,台阶处二次回流涡的尺寸逐渐减小。(2)低雷诺数下,台阶高度以下湍动能呈抛物线分布,沿程逐渐减小,回流区内中心断面处流速最大;台阶高度以上湍动能呈S型分布,中心断面处流速较低。高雷诺数下,台阶高度以下回流区内湍动能沿程增加,离开回流区后沿程逐渐减小;台阶高度以上湍动能沿程逐渐增加,流速受台阶后回流区漩涡的影响较小。台阶后水流湍动能最大值的位置沿程逐渐降低。(3)不同的网格粗细对大涡数值模拟结果的影响比较大,网格越细,结果越精确,但耗费的时间越长;不同的亚格子模式对大涡数值模拟结果的影响比较大,采用Smagorinsky-Lilly动力模式模拟所得结果明显优于采用Smagorinsky-Lilly模式和采用WALE模式模拟所得结果,但模拟所耗费时间也有所增加;不同的压力-速度耦合算法对大涡数值模拟结果的影响较小,采用PISO算法模拟所得结果优于采用SIMPLE算法和采用SIMPLEC算法所得结果。(4)台阶后水流启动过程可以分为四个阶段:a)起动涡产生阶段,b)起动涡脱离阶段,c)其他漩涡产生阶段,d)起动涡破碎阶段。台阶后水流流场中的漩涡经历了生成、发展、迁移和破碎四个阶段;在回流区之后,水流的跃起过程也经历了生成、发展、迁移、消失四个阶段。
页数	81
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语种	中文
收录类别	CNKI
中图分类号	TV131.6
文献类型	学位论文
条目标识符	https://ir.lut.edu.cn/handle/2XXMBERH/95471
专题	兰州理工大学
作者单位	兰州理工大学
第一作者单位	兰州理工大学
推荐引用方式 GB/T 7714	闫宸锋. 台阶后水流水力特性的试验及其数值模拟研究[D],2019.