没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
资源推荐
资源详情
资源评论
第43卷第2期
2 0 0 3 年 3 月
大 连 理 工 大 学 学 报
Journal of Dalian University of Technology
Vol .43 ,No .2
Mar .2 0 0 3
文章编号 :1000唱8608(2003)02唱0223唱07
收稿日期 :2002唱02唱10 ; 修回日期 :2003唱01唱28 .
基金项目 :香港特别行政区研究资助委员会资助项目 (5048 /99E) .
作者简介 :宿晓辉 (1973唱) ,男 ,博士 ;李志伟(1960唱) ,男 ,教授 ;陈壁宏 (1929唱) ,男 ,教授 .
带 有 植 物 的 河 道 水 流 浅 水 紊 流 运 动 大 涡 模 拟
宿 晓 辉
1
, 张 建 新
2
, 李 志 伟
3
, 陈 璧 宏
1
( 1 .大连理工大学 土木水利学院 ,辽宁 大连 116024 ;
2 .东北财经大学 ,辽宁 大连 116023 ;
3 .香港理工大学 土木与结构工程系 ,中国 香港 )
摘要 :
针对浅水问题研究了带有植物的河道水流紊流运动 .建立了浅水问题的大涡模拟紊
流运动模型 k
唱
l LES ,应用该模型模拟计算了两组实验 ,对带有植物的河道水流紊流运动机理
进行了分析 ,并将计算结果与实验结果进行了比较 ,验证了 k
唱
l LES 模型计算结果的正确性 .
关键词 :河道 ;植物 ;紊流运动 / 大涡模拟 ;浅水问题
中图分类号 :TV143畅1 文献标识码 :A
0 引 言
近来 ,流经植物的水流运动形态正在逐渐引
起人们的注意 .洪水期水中植物的存在抬高了河
道的水位 ,改变了河道水流形态 ,减小了河道水流
平均流速 ,并且迫使部分河道水流能量转换成了
在植物附近产生的紊流脉动动能 ,消耗了水流动
能 ,使河道的泄洪能力降低 .但是 ,到目前为止 ,
植物的存在对河道水流的影响仍处于研究阶段 .
日本的 KHL 组 Tsujimoto 等人
[1
~
3]
使用先
进的激光 Doppler 风速仪 ,经过实验研究认为在
植物水域与主流水域交界处产生的强烈的动量交
换起因于该区域有组织的低频的横向脉动速度 ,
而随之而来的该区域水体的自由表面的起伏脉动
则是使该现象持续发生的主要原因 .在其实验中
发现的水平大尺度涡旋 ,在其他研究人员的实验
中也同样被发现 .为此人们认为应该对出现在实
验中的有植物水域与无植物水域交界处的大尺度
涡旋进行正确的评价 .
Naot 等人
[4]
发展了一种三维紊流代数应力
模型(ASM ) 来研究在河岸生长有植物的宽矩形
复合断面河道的水流动力反应 .一种经验现象模
型被添加到代数应力模型中 ,用来模拟植物对水
流的阻碍效应 ,并且在研究中详细说明了由于植
物的加入使控制方程出现的新的变量的物理意义
和有效表达式 .植物对水流的阻力作用表现为对
水流质点的拉应力和阻碍流体运动对流体所做的
功 .但是 ,类似传统的统计 k
唱ε
模型 ,这种三维紊
流代数应力模型不能对水平大尺度涡旋连续结构
及动态发展进行模拟 ,同时 ,也不能反映不同几何
形状的河道水流紊流运动 .
Nadaoka 和 Yagi
[5]
应用大涡模拟技术提出
了一种二维沿水深积分的浅水方程模型 ,该模型
可对生长有植物的河道水流进行计算 .其在水深
方向提出了次水深尺度 (SDS) 紊流的概念 ,用来
模拟三维紊流在长度尺度小于水深时的情况 ,并
假定次水深尺度紊流在水平与垂直方向有相同的
紊流特征长度尺度 .紊流脉动动能由能量传输方
程给出 ,在脉动动能输运方程中包括了由水中植
物产生的紊流脉动动能 ,紊流脉动动能的计算参
数由 k
唱
l 模式确定 .该模型应用于对生长有植物
的河道水流形态的模拟上取得了较好的结果 .通
过模型数值计算 ,清晰地计算出了实验中出现的
有序的大涡结构 ,其河道横断面的流速分布与实
验结果符合较好 ,自由水面的波动频率也与实验
结果相差无几 .但是 ,该模型也存在着缺陷 :求解
二维空间平均的浅水方程和紊流脉动动能传输方
程得到的只是沿水深平均的结果 ,反映不出流速
与紊流脉动动能沿水深的变化 ;模型中将次水
深紊流的特征长度与水深按线性比例直接相连的
做法也还需进一步理论论证 .所以 ,该模型在模
拟河道水流较浅 ,且水中植物处于非淹没状态情
况下分离型模型是适用的 ,但在如河道水深较深 、
水中植物处于淹没状态等其他情况下 ,该模型就
不再适用 ,而且目前还没有应用大涡模拟方法解
决后一类问题的实例 .
围绕着有植物存在的河道紊流运动分析 ,本
文建立了浅水问题的大涡模拟紊流运动 k
唱
l LES
模型 , 应 用 该 模 型 模 拟 计 算 了 1992 年 由
Tsujimoto 等
[2]
在实验室进行的两组实验 ,并
将计算结果与实验结果进行了比较 ;对带有植物
的河道水流紊流运动机理进行了分析 ;另外 ,分析
比较了 Nadaoka 和 Yagi
[5]
应用 SDS唱2DH 模型计
算的结果 .
1 带有植物的河道水流浅水紊流运
动大涡模拟控制方程
带有植物的河道水流浅水紊流运动大涡模拟
控制方程为经过滤波后的 Navier唱Stokes 方程 ,植
物对水流的贡献为对水流的附加拉力和阻止水流
运动而做的功 ;其中附加拉力以单位流体质量受
力的形式反映在动量方程中 ,阻碍流体所做的功
则体现在能量方程中 .控制方程中亚网格项通过
亚网格紊流脉动动能 k 和特征长度 l 进行模型假
设 ,称为 k
唱
l LES 模型 .
连续方程 :
抄u
i
/抄 x
i
=
0 (i
=
1 ,2 ,3) (1)
动量方程 :
抄u
i
抄t
+
u
j
抄u
i
抄 x
j
= -
1
ρ
抄
p
抄 x
j
+
ν
抄
2
u
i
抄 x
j
抄 x
j
-
抄(- 2
ν
t
S
i
j
)
抄 x
j
-
F
i
(i
=
1 ,2 ;
j
=
1 ,2 ,3) (2)
对于浅水紊流运动 ,水深方向的动量方程退
化为
0
= -
g
i
-
1/
ρ
·
抄
p
/抄 x
i
(i
=
3) (3)
亚网格紊流脉动动能输运方程 :
抄
抄t
(k) +
抄
抄 x
j
(u
j
k) =
抄
抄 x
j
ν
eff
σ
k
·
抄k
抄 x
j
+
G
′
+
π
v
-
C
′
D
k
3/2
l
(
j
=
1 ,2 ,3) (4)
式中 :u
i
为过滤后的大尺度速度矢量 ;
p
为压力 ;
g
i
为质量力 ;
ν
为流体运动粘度 ;
ρ
为密度 ;x
i
为空
间坐标量 ;t为时间坐标量 ;S
i
j
=
1/2
×
(抄u
i
/抄 x
j
+
抄u
j
/抄 x
i
) ,称为紊流大尺度流应变率张量分量 ;
ν
t
=
C
μ
k
1 /2
l ,称为亚网格涡粘度 ,C
μ
为量纲一的经
验常数 ,l 为特征长度尺度 .
ν
eff
=
ν
+
ν
t
(5)
G
′
=
2C
μ
k
1 /2
lS
i
j
抄u
i
抄 x
j
(6)
如果植物为刚性且为规则排列的均匀模式 ,
则单位流体质量受到的拉力可表示为
F
i
=
Ku
i
(i
=
1 ,2) (7)
阻碍单位质量流体做功为
π
v
=
F
i
u
i
(i
=
1 ,2) (8)
式中
K
=
1
2
u
2
1
+
u
2
2
nDC
D
S
F
(9)
式中 :n 为水中植物分布平均密度(每单位面积植
物根数) ;D 为水中植物平均直径 ;C
D
为相应植物
直径的拉力系数 ;S
F
为影响系数
[2]
.
k
唱
l LES 模型计算参数见表 1 .
表 1 k
唱
l LES 模型计算参数
Tab畅1 Computational parameters of k
唱
l LES model
C
μ
C
′
D
σ
k
g3
/(m
·
s
-
2
)
ν
/(m
2
·
s
-
1
)
ρ
/(kg
·
m
-
3
)
0 Ζ.09 1 い.0 1 帋.0 9 .8
10
-
6
1 000 '.0
2 数值离散
动量方程组(2) 和亚网格紊流脉动动能输运
方程(4) 用破开算子破开成对流项 、扩散项和源
项 3 个部分 ,这样的破开方式为控制方程的离散
创造了有利的前提条件 .完全可以根据有限差分
方法对单一特性的各部分偏微分方程进行离散 ,
得 到 所 需 要 的 解 的 形 式 . 在 对 流 项 中 ,应 用
QUICKEST 格式模拟对流加速度 .在扩散项中 ,
小尺度项用中心差分离散 .在传播项中 ,通过求
解泊松方程得到自由水面水位变幅 .
对流项方程为
u
n
+
1/3
i
-
u
n
i
Δ t
= -
u
j
抄u
i
抄x
j
(i
=
1 ,2 ;
j
=
1 ,2 ,3)
(10)
k
n
+
1/3
-
k
n
Δ t
= -
u
j
抄k
抄x
j
(i
=
1 ,2 ;
j
=
1 ,2 ,3)
(11)
扩散项方程为
u
n
+
2 /3
i
-
u
n
+
1/3
i
Δ t
=
ν
抄
2
u
i
抄 x
j
抄x
j
+
ν
t
抄
抄 x
j
抄u
i
抄 x
j
+
抄u
j
抄 x
i
522
第 2 期
宿晓辉等 :带有植物的河道水流浅水紊流运动大涡模拟
剩余6页未读,继续阅读
资源评论
weixin_38651468
- 粉丝: 5
- 资源: 896
上传资源 快速赚钱
- 我的内容管理 展开
- 我的资源 快来上传第一个资源
- 我的收益 登录查看自己的收益
- 我的积分 登录查看自己的积分
- 我的C币 登录后查看C币余额
- 我的收藏
- 我的下载
- 下载帮助
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
信息提交成功