曲线坐标系下浮冰两相流数值模拟研究

论文摘要

随着计算机技术的飞速发展，人们在研究冰水两相流问题时，越来越多的采用了数学模型的方法。数学模型以其方便高效，费用低廉的优势，已经成为研究冰水两相流运动规律的一种重要手段之一。本文针对流动区域不规则的特点，采用贴体坐标转换的技术划分网格。基于曲线坐标系，建立了平面二维水动力数学模型。运用有限体积法对方程进行离散，采用非交错网格布置，所有计算变量采用同一控制体。为避免压力场的波动，由动量插值导出控制体交界面流速公式。选取曲线坐标系下的逆变速度通量分量作为独立变量，运用压力校正法耦合水深流速变量。在算例中，采用此模型求解了实验室U型水槽的流速场，计算结果与实测资料吻合较好。基于两相流理论，运用随机轨道模型，对浮冰颗粒的运动进行了仿真，与实际过程有一定程度的相似。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 水力学研究中的模拟方法概述
• 1.1.1 研究水力学的两种常用方法
• 1.1.2 采用数学模型的方法研究水力学问题的步骤
• 1.2 数值试验中数值方法的分类
• 1.2.1 特征线法（Method of Characteristics）
• 1.2.2 有限差分方法（Finite Difference Method）
• 1.2.3 有限元方法（Finite Element Method）
• 1.2.4 有限分析法（Finite Analytic Mothod）
• 1.2.5 有限体积法（Finite Volume Method）
• 1.3 流体流动的控制方程
• 1.3.1 连续性方程
• 1.3.2 动量方程
• 1.3.3 紊流模型
• 1.4 固液两相流的模拟
• 1.4.1 Euler两流体的方法
• 1.4.2 Lagrange-Lagrange方法
• 1.4.3 Euler-Lagrange方法
• 1.5 研究课题的来源、目的及意义
• 1.6 本文的主要工作和创新点
• 第二章 曲线网格的生成
• 2.1 曲线网格的生成
• 2.2 利用滑动边界法对初始点的选取进行改进
• 2.3 Hilgenstock求P，Q源项的方法生成网格
• 2.4 小结
• 第三章 非正交非交错曲线网格二维水流数值模型
• 3.1 笛卡儿坐标系下二维水深平均水流运动的基本方程
• 3.1.1 水流运动的基本方程
• 3.1.2 k-ε紊流模型
• 3.2 统一的对流扩散方程
• 3.3 曲线坐标系下水流运动方程的基本方程
• 3.3.1 新旧坐标系的转换关系
• 3.3.2 拟合坐标系二维水流数值模型的基本方程
• 3.3.3 边界条件的转换
• 3.4 方程的离散和求解
• 3.4.1 非交错网格计算变量的同位布置
• 3.4.2 对流扩散方程的离散
• 3.4.3 贴体坐标系下速度求解变量的选择
• 3.4.4 插值计算
• 3.4.5 水位流速的耦合求解
• 3.4.6 二维水流数值模型的计算流程
• 3.5 定解条件
• 3.5.1 初始条件
• 3.5.2 上下游边界的控制条件
• 3.5.3 固壁条件
• 3.5.4 收敛的控制条件
• 3.5.5 计算实例分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 浮冰的运动模拟
• 4.1 液体连续性的控制方程组
• 4.2 流体相计算的边界条件
• 4.3 单颗粒运动方程
• 4.3.1 阻力分析
• 4.3.2 颗粒的视质量力
• 4.3.3 浮冰颗粒的随机轨道运动方程
• 4.4 颗粒相计算的初始条件和边界条件
• 4.5 浮冰运动的模拟
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文