温差剪切分层流运动特性试验及数值模拟研究

论文摘要

通过物理模型试验,本文分别对直道、45°、90°和180°弯段温差剪切分层流运动特性进行研究,并建立直道和弯段分层流数学模型,通过数值试验的方式,进一步细化地分析分层流交界面的紊动特性。主要内容有: （1） 对分层流运动特性的研究方法和前人主要研究成果进行了较为全面的总结,指出借助现代试验量测手段与数学模型研究直道与弯段分层流的必要性与可行性。 （2） 建立直道水槽温差剪切分层流物理模型试验系统,进行冷热水多种不同流量的组合试验,应用ADV、数字温度计等量测技术,研究直道分层流时均特性和紊动特性,揭示分层流紊动掺混机理,并作分层流稳定性分析。 （3） 分别建立45°、90°和180°不同弯段水槽温差剪切分层流物理模型试验系统,进行冷热水多种不同流量的组合试验,应用ADV、数字温度计等量测技术,研究不同弯段分层流时均特性和紊动特性,探寻不同弯段对分层流的掺混与稳定性的影响。 （4） 建立基于矩形网格的浮力修正κ-ε各向异性立面二维有限体积计算模式,模拟直道水槽温差剪切分层流。计算结果表明,现有模型的浮力修正只是针对特定流型建立的经验关系,仅适合于模拟完全分层水体。 （5） 建立基于矩形网格的二阶矩Reynolds应力三维有限体积计算模式,成功模拟直道水槽温差剪切分层流,并采用数值试验的方法对直道水槽分层流交界面紊动特性做进一步细化研究。 （6） 建立基于无结构网格的二阶矩Reynolds应力三维有限体积计算模式,成功模拟180°弯段水槽温差剪切分层流,并采用数值试验的方法对180°弯段水槽分层流交界面紊动特性做进一步细化研究。

论文目录

• 前言
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 分层流及其研究意义
• 1.2 分层流前人研究成果
• 1.2.1 稳定性分析
• 1.2.2 界面摩阻
• 1.2.3 界面掺混
• 1.2.4 垂向紊动扩散
• 1.2.5 分层流的数值模拟
• 1.2.5.1 数值模拟中常用的近似假定
• 1.2.5.2 数学模型的演变
• 1.2.5.3 连续模型研究概况
• 1.2.5.3.1 紊流模型
• 1.2.5.3.2 直接数值模拟（DNS）和大涡模拟（LES）
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 直道明渠温差剪切分层流运动特性试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验设备及试验量测
• 2.2.1 试验设备
• 2.2.2 测量断面及测点位置分布
• 2.2.3 量测仪器
• 2.2.3.1 声学多普勒测速技术
• 2.2.3.2 流量测量
• 2.2.3.3 温度测量
• 2.2.4 试验过程
• 2.2.5 试验参数与工况选择
• 2.2.5.1 试验参数
• 2.2.5.2 工况选择
• 2.3 试验结果分析
• 2.3.1 流速、温度与密度的沿程变化规律
• 2.3.2 紊动强度和雷诺应力强度的沿程变化规律
• 2.3.3 掺混强度分析
• 2.3.4 交界面垂向热扩散系数分析
• 2.3.5 界面摩阻分析
• 2.3.6 稳定性分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 弯道明渠温差剪切分层流运动特性试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验设备及试验量测
• 3.2.1 试验设备
• 3.2.2 试验参数与工况选择
• 3.3 试验结果分析
• 3.3.1 流速、温度与密度的沿程变化规律
• 3.3.2 紊动强度和雷诺应力的沿程变化规律
• 3.3.3 横断面二次环流
• 3.3.4 横断面温度等值线分布
• 3.3.5 掺混强度分析
• 3.3.6 稳定性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 直道明渠温差剪切分层流数学模型研究
• 4.1 引言
• 4.2 描述分层流运动的基本方程
• 4.3 浮力修正k-e各向异性立面二维模型模拟直道分层流
• 4.3.1 紊流模型
• 4.3.2 方程离散及数值求解
• 4.3.3 边界条件
• 4.3.4 试验水流计算
• 4.3.4.1 计算网格剖分与模型参数选取
• 4.3.4.2 计算结果分析
• 4.4 二阶矩Reynolds应力三维模型（RSM）模拟直道分层流
• 4.4.1 紊流模型
• 4.4.2 方程离散及数值求解
• 4.4.3 边界条件
• 4.4.4 试验水流计算
• 4.4.4.1 计算网格剖分
• 4.4.4.2 模型参数选取
• 4.4.4.3 计算结果分析
• 4.4.5 分层流其他实例
• 4.4.5.1 金海生温差剪切分层流试验
• 4.4.5.2 Majewski温差剪切分层流试验
• 4.4.6 分层流交界面紊动特性研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 弯道明渠温差剪切分层流三维数学模型研究
• 5.1 引言
• 5.2 二阶矩Reynolds应力三维模型基本方程
• 5.3 方程离散及边界条件
• 5.4 试验水流计算
• 5.4.1 计算网格剖分
• 5.4.2 模型参数选取
• 5.4.3 计算结果分析
• 5.5 180°弯道分层流交界面紊动特性研究
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文主要结论
• 6.2 需要进一步探讨的问题
• 参考文献
• 致谢
• 附录A: 试验现场相片
• 附录B: 作者在攻读博士学位期间发表的主要论文
• 附录C: 作者在攻读博士学位期间参加的主要科研项目