波流环境中垂向紊动射流的数值模拟研究

论文摘要

污水海洋处置是现代沿海城市污水处置的发展方向，但是将波浪作为主要动力因素，用紊流模型对污染物的扩散输移作数值模拟的研究还不多见，本文在前人研究基础上，以Reynolds时均方程为基本控制方程，用各向异性k-ε紊流模型和VOF方法建立了可以模拟自由面有较大起伏的波浪和水流环境中的污染物扩散输移的垂向二维紊流模型和三维紊流模型。利用二维模型研究了波浪和波流环境中的扩散系数，利用二维和三维模型模拟分析了不同流场环境中射流流场和浓度场的分布。 模拟自然环境中的流体都需要追踪自由面，有波浪存在时自由面起伏较大，准确模拟自由面尤其必要；流动会使紊动扩散到整个水体，波、流和射流相互作用时流场变化剧烈，具有较强的各向异性特征。本文选择可以描述自由面复杂变化而又不需很大计算内存和计算时间的VOF方法和可以模拟各向异性的k-ε紊流模型，在底边界采用三层的壁面函数，在自由面上采用利于数值稳定的紊动量边界条件，在出口边界上采用改进的海绵层方法，建立了数值模型。 在远离排放口的区域，射流对流场的影响可以忽略，污染云团的尺度远远大于波浪导致的流体质点周期性运动的幅度，这时波浪对污染物扩散输移的影响可以仅考虑波浪对流场周期平均速度和周期平均扩散系数的影响，求解波浪和波流场中的扩散系数就成为关键问题之一。本文设计模拟了不同水深、流速、波高和波长组合的工况，基于紊流模型的数值计算结果，研究了波浪和波流环境中扩散系数和各影响因素的关系，总结出扩散系数的拟合公式。 本文对静水、横流和波流环境中的垂向窄缝紊动射流作了模拟分析。重点分析了静水环境中的流场和自由面分布、轴线流速衰减规律；分析了横流环境中回流区形状和各影响因素的关系、射流轨迹线和各影响因素的关系、不同速度比的浓度分布特征；分析了波流环境中波浪周期和波高对浓度场分布的影响。 本文对静水、波浪、横流和波流环境中的垂向圆形紊动射流作了模拟分析。静水环境中重点分析了自由面分布、轴线速度和浓度的衰减和水平分布规律；波浪环境中将瞬时速度场和浓度场的分布与实验现象作对比，将周期平均结果与静水中的结果作对比，分析影响浓度分布的决定因素；横流环境中分析了自由面分布、浓度场分布、轨迹线、涡形结构的发展过程及底边界和自由面对它们的影响；对波流环境中的瞬时的和周期平均的浓度场作了分析，并预测了斜向波对浓度分布的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 污水海洋处置中的射流研究现状
• 1.2.2 波对流的垂向速度分布影响的研究进展
• 1.2.3 波流共同作用下污染物扩散输移的研究进展
• 1.2.4 存在的主要问题
• 1.3 本文的主要工作
• 2 波流环境中污染物扩散输移紊流模型的建立
• 2.1 数学模型的建立
• 2.1.1 控制方程的推导
• 2.1.2 自由表面的追踪方法
• 2.2 数值计算方法
• 2.2.1 二维和三维模型的控制方程
• 2.2.2 计算网格
• 2.2.3 变量离散方法
• 2.2.4 数值稳定条件
• 2.3 边界条件
• 2.3.1 波浪和波流共同作用的入口边界条件
• 2.3.2 波浪和波流共同作用的吸收边界条件
• 2.3.3 自由表面上各变量的边界条件
• 2.3.4 壁面边界条件
• 2.3.5 其它边界条件
• 2.4 计算流程
• 2.5 小结
• 3 波流环境中排污远场浓度场分析
• 3.1 模型验证
• 3.1.1 波流流场模拟验证
• 3.1.2 污染物扩散输移模拟验证
• 3.2 波浪场和波流场中扩散系数分析
• 3.2.1 波浪场中的扩散系数分析
• 3.2.2 波流场中的扩散系数分析
• 3.3 波流环境中排污远场浓度计算
• 3.4 小结
• 4 二维垂向窄缝紊动射流的模拟分析
• 4.1 静止环境中的垂向窄缝紊动射流模拟分析
• 4.1.1 速度场和自由面分析
• 4.1.2 轴线流速衰减分析
• 4.2 横流环境中的窄缝紊动射流模拟分析
• 4.2.1 回流区分析
• 4.2.2 速度场分析
• 4.2.3 浓度场分析
• 4.3 波流环境中的窄缝紊动射流模拟分析
• 4.3.1 速度和浓度验证
• 4.3.2 波浪对射流浓度场的影响分析
• 4.4 小结
• 5 三维垂向圆形紊动射流的模拟分析
• 5.1 静止环境中垂向圆形紊动射流模拟分析
• 5.1.1 自由面分析
• 5.1.2 速度场和浓度场分析
• 5.2 波浪环境中垂向圆形紊动射流模拟分析
• 5.2.1 自由面验证
• 5.2.2 速度场和浓度场分析
• 5.3 横流环境中的垂向圆形紊动射流的模拟分析
• 5.3.1 轨迹线分析
• 5.3.2 稀释度分析
• 5.3.3 涡形结构分析
• 5.4 波流环境中的垂向圆形紊动射流的模拟分析
• 5.4.1 瞬时浓度场分析
• 5.4.2 周期平均浓度场分析
• 5.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书