最小能耗率原理的数值水槽模拟验证

摘要

最小能耗率原理最早是由德国物理学家赫姆霍尔兹(Helmholtz)于1868年提出的,适用于固壁清水无旋均匀流动。由于缺乏严格的证明,故一直被称作能耗率极值假说。20世纪50年代初,维里坎诺夫(ΒeликановΜ.Α.)将其应用于动床挟沙水流。70年代以后杨志达(Yang C.T.)和张海燕(Chang H.H)等人在最小能耗率原理的研究上取得了较大进展,并取得了大量成果。最小能耗率原理发展至今,已有严密的理论证明,但缺少实测数据和数值模拟的验证。本文采用Flow3D中RNG k e-紊流模型结合GMO法对顺直矩形水槽内的水流运动进行了数值模拟研究,通过选取不同断面之间的水流为研究系统,计算了各个时刻系统的单位体积水流能耗率变化。研究结果如下:
　　(1)矩形水槽内的水流运动确实遵循最小能耗率原理。
　　(2)流速越大,单位体积水体能耗率越大;且流速越大,能耗率的变化幅度也越大,水体能耗率越趋于沿程均匀分布。
　　(3)糙率越大,能耗率越大,但不会影响其总的变化趋势;且糙率对于水体的由非恒定状态变为恒定状态的时间长短有影响。
　　(4)水槽出口端旋转角速度的施加过程对能耗率的影响表现为:对应各种旋转角速度下的能耗率的变化趋势与角速度的施加过程一致,当各自的旋转角速度达到最大值时,能耗率也在此时刻达到最小值。同一时刻,由于角速度施加过程不同,所以角速度值的大小不同,对应此时刻角速度越大的能耗率的值就越大。

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第一章 绪论

1.1问题的提出及意义

1.2最小能耗率原理的发展及现状

1.3数值模拟的过程

1.4数值模拟的发展现状

1.5数值模拟的局限性和发展前景

1.6本文的研究方法

1.7本文的研究内容

第二章 Flow 3D软件介绍

2.1 Flow3D控制方程简介

2.2 Flow3D中的紊流模型

2.3模型建立及网格划分

2.4 GMO法

2.5边界条件

2.6 Flow3D自由表面处理技术

2.7本章小结

第三章 最小能耗率原理的验证

3.1最小能耗率原理的验证

3.2能耗率沿程分布规律

3.3本章小结

第四章 对影响能耗率因素的探讨

4.1流速大小对能耗率的影响

4.2糙率对能耗率的影响

4.3旋转角速度变化对能耗率的影响

4.4本章小结

第五章 结论

参考文献

发表论文及科研情况说明

致谢