串列式圆柱形槽墩群附近流场的数值模拟与分析

摘要

渡槽是一种常见的输水建筑物,槽墩的设置会引起其附近流场复杂化,槽墩周围流场的变化、旋涡脱落及压力分布对于研究槽墩所受荷载,槽墩的水毁机理以及河床冲刷具有重要的意义。目前,由于受到实验条件等限制,对于高雷诺数下串列式墩群绕流的实验研究还存在较大的困难,且采用数值模拟方法对此进行的计算也很少见。本文针对具体工程中某渡槽槽墩体型,对串列式三墩绕流的流场进行了分析研究。主要的研究内容和成果有：
　　(1)由于现有的圆柱绕流研究主要集中在单柱及双柱上,而对串列式圆柱群的绕流现象和机理分析的研究还相对较少,因此本文需寻求一种可以较好模拟出墩群绕流的方法。经过阅读大量文献,选择采用大涡模拟的方法进行计算。首先采用LES方法模拟计算了单柱绕流的例子,与实验结果进行对比分析,结果证明本文较为成功地实现了大涡模拟。然后将此方法应用到三墩绕流的二维模拟中。
　　(2)建立三墩绕流的二维计算模型,对槽墩群周围的网格进行了加密,采用大涡模拟的方法计算了二维情况下串列式墩群高雷诺数下的绕流情况,得到了整个流场的流速、压力分布、涡量变化等情况,并计算得到了各墩的升力系数、阻力系数、斯特诺哈尔数以及各墩后旋涡脱落的频率。
　　(3)建立三墩绕流的三维计算模型,同样对各墩周围网格尺寸进行了加密。由于模型的三维尺寸非常大,进行大涡模拟需要十分精细的网格,受到计算机能力的限制,对三维计算未能采用大涡模拟方法,而采用了雷诺平均法。模拟结果给出了三维流场中流速、压强分布、涡量场的情况,得到了河床剪应力的分布情况,以及各墩的升力系数、阻力系数、斯特诺哈尔数以及旋涡脱落频率。
　　(4)比较二维和三维模拟得到的相关结果,二维模拟得到各墩驻点和边界层分离点的位置不同,三维模拟则相差不大。二维可模拟出较好的涡街分布情况,三维模拟的涡量场具有明显的随机性和三维性；三维模拟得到各墩的阻力系数均为正值,与二维得到的结论不符,但都能得到中墩的稳态阻力系数最小。各墩的升力系数,二维和三维得到的值都在零附近波动。各墩后旋涡脱落的频率,二维和三维模拟得到的都是低频,且有一个主频。其对应的Str数相差不大。本文的研究成果对于墩群的分析设计具有重要的参考价值。

目录

摘要

ABSTRACT

主要符号表

1 绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 圆柱绕流的研究现状

1.3 数值模拟的研究进展与现状

1.3.1 数值模拟的发展

1.3.2 物理模型与数值模拟的比较

1.4 本文的主要工作

2 湍流数值模拟的研究

2.1 湍流数值模拟方法

2.2 湍流模型概述

2.3 数值离散方法

2.4 流场数值解法

2.5 大涡(LES)模拟

2.5.1 大涡模拟的条件

2.5.2 LES方程

2.5.3 亚格子尺度模型(SSM)

2.5.4 LES方程中N-S方程的边界条件及初始条件

2.6 小结

3 单圆柱绕流分析

3.1 网格划分

3.2 计算工况

3.3 边界条件及计算方法

3.4 计算结果

3.4.1 稳态升力系数和脉动升力系数

3.4.2 稳态阻力系数和脉动阻力系数

3.4.3 斯特诺哈尔数(Str数)

3.5 本章小结

4 串列槽墩群流场的二维数值模拟

4.1 计算模型及解法

4.1.1 建模

4.1.2 计算解法

4.1.3 边界条件

4.2 网格划分

4.3 结果分析

4.3.1 流速场

4.3.2 压力场

4.3.3 涡量场

4.3.4 稳态阻力系数和脉动阻力系数

4.3.5 稳态升力系数和脉动升力系数

4.3.6 斯特诺哈尔数(Str数)

4.4 小结

5 串列槽墩群的三维流场分析

5.1 三维计算的控制方程

5.2 计算模型及解法

5.2.1 数值解法

5.2.2 边界条件

5.3 网格划分

5.4 模拟结果及分析

5.4.1 流速场

5.4.2 涡量场

5.4.3 压力场

5.4.4 河床剪应力

5.4.5 阻力系数

5.4.6 升力系数

5.4.7 斯特诺哈尔数(Str数)

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 研究结论

6.2 进一步研究工作展望

参考文献

附录