论文题目: 输水工程复杂边界条件下二、三维水流数值模拟
论文类型: 博士论文
论文专业: 市政工程
作者: 尹则高
导师: 张土乔
关键词: 输水工程,数值模拟,水头损失,嵌套连接,方法
文献来源: 浙江大学
发表年度: 2005
论文摘要: 利用输水建筑物把水从富水地区送往贫水地区是满足用水需求的一种经济有效的方法,并在世界各地得到了广泛的应用。本文对输水工程复杂边界条件下二、三维水流数值模拟的基本理论、基本方法进行了简要的总结和分析比较,并结合算例对输水工程复杂边界条件下二、三维水流数值模拟紧密相关的几个问题进行了研究和探讨。 首先建立了直角坐标系正交网格下的平面二维数学模型及复杂边界适体坐标条件下的三维紊流数学模型,对方程的离散差分格式、控制方程的求解、初始边界条件、动边界处理等问题进行了分析研究,并编制相应的计算程序。然后分别对平面二维自由表面流动和三维有压流动,平面二维自由表面流动和三维自由表面紊流建立了嵌套连接数学模型,给出了嵌套连接和初始边界条件,并进行了算例分析。 其次提出了基于二维数学模型对输水工程中三维复杂自由面流进行模拟计算的一种修正方法。利用修正方法对某工程实例进行了数值模拟,计算结果与模型试验流场状况基本一致,表明本文处理方法可行,计算结果比较可靠。 再次对输水工程中常见的连续突扩管流,边壁凹凸的隧洞水流水头损失进行了计算分析,找出了连续突扩管流水头损失较小的设计方案以及凹凸体横向、纵向、垂向长度等参数变化引起水头损失变化的规律。 最后基于FLUENT软件为计算平台,建立局部细化网格的VOF方法对自由表面紊流进行数值计算,分别对立面二维紊流及三维复杂紊流算例进行计算分析对比。结果表明,此法较好的克服了全场细化网格计算时间长,计算成本大的缺点,同时保留了全场细化网格下计算自由水面位置较准确及附近计算水力要素分布状况较详尽的优点。 本文根据建立的二、三维数学模型对输水工程复杂边界条件下二、三维水流几个算例进行了数值模拟,得到了各水力参数(流速、压力或水深、紊动动能、紊动耗散率)的分布状况及分布规律,可以为复杂边界条件下同类输水工程的决策、设计、施工与管理提供相应的参考和指导。
论文目录:
主要符号说明
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1．1 问题的提出
1．2 研究意义
1．3 二、三维数值模拟研究进展
1．3．1 简化方程采用的假定
1．3．2 自由水面处理
1．3．3 网格生成方法
1．3．4 控制方程的离散方法
1．3．5 紊流数学模型
1．4 本文研究方法与研究内容
1．4．1 研究方法
1．4．2 研究内容
第二章 平面二维数学模型
2．1 控制方程
2．2 方程离散格式、计算方法和初边界条件
2．2．1 离散网格及变量分布
2．2．2 计算方法
2．2．3 初始条件和边界条件
2．2．4 动边界处理
2．3 平面二维数学模型的验证
2．3．1 计算区域
2．3．2 进出口边界条件的确定
2．3．3 计算水深
2．3．4 计算流速分布
2．4 本章小结
第三章 三维紊流数学模型
3．1 k-ε紊流数学模型
3．2 数值求解方法
3．2．1 适体坐标系及微分法生成
3．2．2 控制方程的变换
3．2．3 控制方程的离散
3．2．4 离散方程求解
3．3 边界条件
3．4 边界条件的转换
3．5 平面二维自由表面流动、三维有压流动数学模型的嵌套连接
3．5．1 嵌套连接和初始边界条件
3．5．2 算例分析
3．6 本章小结
第四章 算例分析
4．1 自由面流消能区的二维数值计算
4．1．1 复杂流场区流态分析与边界处理
4．1．2 面流消能区的概化修正方法
4．1．3 算例分析
4．2 连续突扩管流的数值计算
4．2．1 恒定总流能量方程
4．2．2 流态分析及计算水力要素分布
4．2．3 水头损失计算结果分析
4．3 边壁凹凸隧洞水流的数值计算
4．3．1 流速和压力分布
4．3．2 紊动动能与紊动耗散率分布
4．3．3 水头损失计算结果分析
4．4 本章小节
第五章 自由表面紊流数值模拟及局部细化网格的VOF方法
5．1 VOF模型
5．2 水气两相分层流的VOF紊流数学模型
5．3 CFD软件简介
5．4 局部细化网格的VOF紊流数学模型
5．4．1 局部细化网格下立面二维自由水面紊流的VOF模型
5．4．2 局部细化网格下三维自由水面紊流的VOF模型
5．5 平面二维自由表面流动、三维自由表面紊流数学模型的嵌套连接
5．5．1 嵌套连接和初始边界条件
5．5．2 算例分析
5．6 本章小节
第六章 结论与展望
6．1 结论
6．2 展望
参考文献
作者在攻博期间发表或录用的论文
致谢
发布时间: 2005-07-15
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