明渠水气两相流的数值模拟研究

论文摘要

水气两相流现象在自然界和工业生产等领域中大量存在。水利工程中常见的掺气水流,便是一种典型的水气两相流,是水工水力学和高速水力学研究的重要内容。由于水流掺气,其运动特性与不掺气水流相比,发生了很大变化,因而对水工建筑物形成了各种有利或不利的影响。研究水气两相流,对于解决工程实际问题,有着重要的理论意义和实用价值。水气两相流现象较为复杂,研究内容涉及面广,本文主要对水气两相流进行了数值模拟方面的研究。本文首先简要描述了水气两相流的掺气机理,对明渠自掺气水流的掺气特性进行研究,得出水流的掺气条件和掺气量的表达式,式中表明掺气量与水流流速及临界速度有关。随后通过对水气两相流主要特点的分析,推导出了明渠自掺气水流的控制方程组。在数值计算方法上,对水气两相流双流体模型的控制方程组采用有限体积法进行离散,并推导各方程的离散形式。其中,对流扩散项采用QUICK格式进行离散,速度与压力耦合问题采用SIMPLER算法解决,并提出两相流离散方程的基本求解步骤。在给出适当的边界条件情况下,对明渠自掺气水流的掺气浓度、流速及其它运动参数进行数值计算,通过与实测结果的比较与分析可以初步得出结论,该模型是正确的,计算结果是合理的。由结果分析知掺气浓度值在水面处较大,而在明渠底部较小,且水面处变化幅度大,明渠底部变化幅度小;流速在垂向的分布是自底面向水面方向不断增大,然后再逐渐减小。最后进一步对明渠自掺气水流计算结果的影响因素做了分析,其影响因素主要有数学模型、离散方法、计算区域、边界条件、松弛因子等。数值模拟是研究水气两相流的一条重要而有效的途径,本文的研究为今后进一步进行两相流数值模拟的研究工作打下了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 研究现状
• 1.3 水气两相流的数值模拟
• 1.3.1 水气两相流数学模型
• 1.3.2 水气两相流数值模拟方法
• 1.4 本文研究的主要内容和方法
• 第2章 自掺气水流特性
• 2.1 概述
• 2.2 掺气水流的结构
• 2.3 掺气条件分析
• 2.3.1 扰动方程
• 2.3.2 稳定分析
• 2.4 掺气量的计算
• 2.5 掺气点的确定
• 2.6 掺气水深的确定
• 2.7 本章小结
• 第3章 明渠水气两相流的数学模型
• 3.1 概述
• 3.2 应力和压力
• 3.3 相间作用力
• 3.4 水气两相流的主要特点
• 3.5 掺气水流双流体模型基本方程
• 3.5.1 基本假定
• 3.5.2 水气两相流双流体模型控制方程组
• 3.6 本章小结
• 第4章 水气两相流的数值求解
• 4.1 概述
• 4.2 通用控制方程的离散
• 4.3 对QUICK格式的分析
• 4.3.1 延迟修正算法
• 4.3.2 离散方程的处理
• 4.4 同位网格的SIMPLER算法
• 4.4.1 同位网格简介
• 4.4.2 同位网格上的压力修正方程
• 4.4.3 同位网格上SIMPLER算法的计算步骤
• 4.5 离散方程组的求解
• 4.5.1 概述
• 4.5.2 TDMA算法
• 4.5.3 离散方程的求解步骤
• 4.6 本章小结
• 第5章 明渠自掺气水流的计算
• 5.1 概述
• 5.2 物理模型及边界条件
• 5.2.1 物理模型
• 5.2.2 边界条件
• 5.3 掺气浓度的计算结果及分析
• 5.4 流速的计算结果及分析
• 5.5 初始掺气点的计算结果及分析
• 5.6 紊动能的计算结果及分析
• 5.7 计算影响因素
• 5.8 数学模型在阶梯溢流坝上的应用
• 5.8.1 物理模型
• 5.8.2 数值计算方法及边界条件
• 5.8.3 计算结果及分析
• 5.8.4 结论
• 5.9 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文的研究结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及发表论文和科研情况