直角交汇明渠水流二维数值模拟

摘要

自然河流系统和人工水利渠道中,普遍存在水流交汇现象。与一般顺直水流相比,交汇水流由于受主支流的流量比、流体物理属性、入汇角、渠道条件(如糙率、坡降、尺寸、形状)、出口水深等多种因素影响,水力特性较为复杂,给河道治理、取排水口设置、航道管理、防洪安全等带来一系列问题,如交汇口泥沙容易淤积成滩,分离区回旋水流积聚污染物,流域汛期干支流洪峰重叠。因此进行交汇水流运动规律研究具有重要的理论意义和现实意义。
　　论文采用数值模拟方法对交汇口二维水流运动特性进行了模拟研究,主要内容如下:
　　(1)根据控制体积法建立了等宽直角交汇水流平面二维数学模型，并采用SIMPLE算法进行求解。计算结果与试验资料吻合较好，在此基础上分析了交汇口水流的运动规律。
　　(2)综合流线法和等值线法的优点，提出了定义分离区尺寸的混合法，即确定顺主流x方向流速为零的最下游点，取此点到交汇口下唇的距离为分离区长度;作过此点的流线，取此流线y方向的最大距离为分离区宽度。
　　(3)采用CFD软件Fluent及其RSM紊流模型，对二维等宽直角交汇水流的分离区尺寸进行了研究，并将计算结果与试验资料以及已有的H-L模型、k-ε模型模拟结果进行对比，结果表明，RSM模型的模拟效果较好。
　　(4)采用Fluent及其RSM模型计算了不同主支槽槽宽比例下的分离区尺寸，并讨论了分离区尺寸与槽宽比之间的一系列关系，包括:分离区长度、宽度、形状系数、主槽收缩系数分别与槽宽比例的变化规律，无量纲化分离区长度与主支槽水流动量比的变化规律。
　　(5)采用软件Fluent及其RSM模型模拟了交汇水流中物质的扩散，结果发现浓度场扩散表现出明显的单向特征，以及把排污口设在主槽远支槽一侧利于污染物迁移到下游。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 问题提出

1.2 研究进展

1.2.1 理论研究

1.2.2 试验模型和自然河道

1.2.3 数值模拟

1.3 水流模拟数学模型

1.3.1 一维数学模型

1.3.2 二维数学模型

1.3.3 三维数学模型

1.4 论文主要研究内容

第2章 水流数值模拟相关基础

2.1 数值模拟思路

2.2 常用的数值计算方法

2.2.1 有限差分法(Finite Difference Method)

2.2.2 有限单元法(Finite Element Method)

2.2.3 有限分析法(Finite Analysis Method)

2.2.4 有限体积法(Finite Volume Method)

2.3 紊流模型研究

2.3.1 零方程模型

2.3.2 标准k-ε模型

2.3.3 雷诺应力模型

2.4 自由表面处理

2.4.1 刚盖法

2.4.2 标高函数法

2.4.3 MAC法

2.4.4 VOF法

2.5 交错网格的SIMPLE算法原理

2.5.1 基本数学公式推导

2.5.2 算法步骤

2.5.3 交错网格(Staggered Grid)

2.5.4 SIMPLE算法改进

2.6 TDMA解法

2.6.1 TDMA解法过程

2.7 本章小结

第3章 基于SIMPLE算法的二维等宽直角交汇水流模拟

3.1 数学模型

3.1.1 控制方程

3.1.2 方程求解

3.2 模型建立

3.2.1 二维模型及其网格划分

3.2.2 边界条件

3.3 计算结果验证

3.4 本章小结

第4章 基于Fluent的二维直角交汇口水流分离区尺寸分析

4.1 分离区尺寸定义

4.2 二维等宽直角交汇水流数值模拟

4.2.1 数学模型

4.2.2 模型建立

4.2.3 计算结果验证分析

4.3 二维非等宽直角交汇水流分离区尺寸分析

4.3.1 改变支槽宽度

4.3.2 改变主槽宽度

4.3.3 总结变化规律

4.4 本章小结

第5章 二维直角交汇水流物质扩散模拟

5.1 数学模型

5.1.1 基本控制方程

5.1.2 控制方程求解

5.2 模型建立

5.2.1 二维模型

5.2.2 网格划分

5.2.3 边界条件

5.3 计算结果及分析

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 主要研究成果

6.2 展望与设想

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果