弯道水流流场特性分析的数值模拟研究开题报告.docx
- 文档编号:26883869
- 上传时间:2023-06-23
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:597.56KB
弯道水流流场特性分析的数值模拟研究开题报告.docx
《弯道水流流场特性分析的数值模拟研究开题报告.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《弯道水流流场特性分析的数值模拟研究开题报告.docx(15页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
弯道水流流场特性分析的数值模拟研究开题报告
四川农业大学本科生毕业论文(设计)开题报告
毕业论文(设计)题目弯道水流流场特性分析的数值模拟研究
亠、研究课题的背景和意义
1.选题背景
弯曲河段对国民经济各部门都有着较大的影响,历来受到人们的重视。
特别是随着对研究深度与广度越来越高的要求,采用物理模型和数学模型,开展河弯水流运动和河床变形方面的模拟,往往是常有的事情,也是很有效的。
模型试验与数值计算相结合,各取所长,相互印证,是研究弯道河流特性的主要手段。
我国海河流域的南运河,淮河流域的汝河下游和沙河、颖河下游,黄河流域的渭河下游,
长江流域的汉江下游以及有“九曲回肠”之称的长江荆江河段等,都是典型的弯曲型河段(如下图1)
美国的密西西比河下游,也是世界有名的典型弯曲型河段。
河流自身的流域特性决定了其几何形状,其弯曲形状是长年水流动力作用下的结果。
河流两岸的抗冲、抗剪能力与水流冲击、剪切力相平衡塑造了河道的形态,并在长期的发展过程中经过不断的调整,达到新的平衡。
(如下图2)
图2
2.选题意义
天然河流几乎都是弯曲的,弯道可以看成是组成河流的最基本的单元[1]。
弯道水流是指
行进在弯曲河道中的水流,弯曲河道的床面和岸壁组成了弯道水流的外边界。
由于边界条件的不同,使得弯道中行进的水流运动特性也与顺直河段中不同。
水流进入弯道后,由于离心力的作用,使得凹岸水位抬高,凸岸水位降低,造成了水面横比降。
水面横比降引起弯道断面横向压力差,这种压力差沿垂线分布的均匀性和流速沿垂线分布的非均匀性,导致了弯道断面横向环流的出现,这一主体环流与纵向水流一起构成了弯道水流所特有的螺旋流,弯道水流运动形态如图1-1。
依据流体动力学,水面负比降(压
此外,由于弯道进口凹岸和出口凸岸均出现水面负比降,
力沿程增加)是流速脱离边壁产生水流分离流动的必要条件,因此,上述两处可能出现弯道分离流,出口凸岸更易出现此现象[2]。
弯道中水流紊动结构复杂,进入弯段后,其紊动
强度要较入弯前自然状态时有所增大,从而会引起水流能量损失的较大增加;由于弯道水流产生了螺旋流动及可能出现的分离现象,水流紊动强度有所变化,使得弯道水流的阻力要比相同长度的顺直河段大。
弯曲河道中床面附近水流切应力的分布与顺直河段中有所不同,尤其是在次生环流发展最强时。
最大剪切力区在弯道进口段附近是靠近凸岸,到弯道中段,开始向凹岸过渡,低剪切力区位于弯道上段的凹岸与凸岸边滩的下游。
在流量较大时,在凹岸弯顶附近还会出现第二个最大剪切力区。
弯道中床面剪切力的这种分布,造成了水流的高切应力区与冲刷区的不一致。
当河道主流左右摆动时,岸线所受冲击力和剪切力的沿程变化更是复杂。
正确认识弯曲河流的运动规律,对河道整治的规划设计、河流工程的建设与运行、电站的引水排沙、流域的长远规划、河道的防洪设计、桥梁的规划设计以及改善河道的通航运行等,都具有十分重要的意义。
近年来,城市水资源告急引发的利用天然河道长距离输水,西部开发的中、小型水电站建设和汛期洪水排泄等重大水利问题,都要涉及到河道特别是弯曲河道的水力计算问题、弯道岸线的应力分析计算及河岸稳定性问题。
通过建立河流数学模型,系统研究水流、泥沙问题,指导河流的治理、保护与规划。
因此,对弯曲河流进行全面系统的研究是十分必要的,且具有广泛的应用前景和科学价值。
3.河流数值模拟的意义[15]
河流数学模型的研究和应用始于20世纪50年代,主要是用来计算大型水库的淤积和坝
下游的沿程冲刷。
20世纪70年代以来,随着电子计算机的普及与计算机性能的不断提高,数学模型的优越性越来越突出。
在国外,冲积河流数学模型发展较迅速,其中以美国、荷兰和法国发展最快。
在国内,20世纪60年代,许协庆、朱鹏程、窦国仁和韩其为等人开始
了数学模型的研究工作。
经过几十年的发展,数学模型经历了由一维一一二维一一三维的发展历程,也由原先在概化水文、泥沙、弯道及河床条件下数学模型的建立、率定和验证,发展到与物理模型相互配合共同回答工程水流和弯道问题(复合模型)的发展阶段。
目前,河流数学模型在理论上得到较快的发展,在实际工程中也得到越来越广泛的应用,日益成为研究水流、弯道等运动规律,指导工程设计与规划的一个强有力手段,普遍受到人们的重视。
二、弯曲河流的研究现状和发展趋势
自1876年Thompson【5]从弯道水槽实验中发现弯道水流同时存在着纵向和横向流动以来,国内外学者根据不同的研究目的,对弯道水流运动特性及河弯演变做了大量的研究分析工作。
对弯道水流的重点研究,主要表现在水面横比降、横向环流、纵向垂线平均流速等方面。
1.国内外研究现状⑹
1.1弯道水流运动规律研究现状
1.1.1弯道水面横比降
当水流进人弯曲河段时,由于离心力的作用,使得凹岸水位抬高,凸岸水位降低,从而
造成了水面横比降。
水面横比降的最大值发生在弯道的中部(弯顶以下)[7],并向下逐渐减
小,一直延续到弯道出口以下;水面最低点位于弯道进口偏下的凸岸处,水面最高点位于弯顶以下的凹岸处,且其部位随着水流弗氏数的增加而向上游移动
(1)罗索夫斯基(RomvskiiIL)公式问
在工程应用中,罗索夫斯基引入对数流速分布公式得到水面横比降公式:
张红武引人流速分布公式[9],并引人谢才公式,得到下列水面横比降公式:
几二1+5.75总)第
实践检验表明,罗索夫斯基公式在粗糙床面情况下,横比降略偏小;而张红武公式无论床面粗糙或光滑,横比降计算值与实测值的偏差均较小。
(2)由于弯道中凹岸区水流结构较凸岸区水流结构更复杂,故凹岸区和凸岸区的流速分布不同,从而形成不同的水面横比降,因此,应分别导出弯道凹岸区和凸岸区的水面横比降公式:
凸岸区:
凹岸区:
王平义公式
1.1.2弯道横向环流
水面横比降引起弯道断面的横向压力差,这种压力差沿垂线分布的均匀性和流速沿垂线
分布的不均匀性,使得弯道断面产生了纵轴环流,这一环流与纵向水流汇合形成了螺旋流。
很多学者采用不同的纵向流速分布公式和边界条件、连续条件,通过各种途径求得了环流流速沿垂线的分布公式。
(1)波达波夫公式[10]:
式中:
n=z/h
um为水面速度;v为运动黏滞系数;m为巴森系数且介于22~24之间。
该公式仅适用层流或瞬时紊流的E~s方程,不宜导出时均紊流的环流公式
(2)马卡维耶夫公式:
1948年马卡维耶夫借助于椭圆型流速分布公式,导出了环流流速沿水深分布的计算公式:
式中:
t=1-z/h;P=0.57+0.33/C;M=0.7C+6。
该公式的主要缺陷是结构过于复杂,
而且推演过程中取紊动动力黏滞系数为常量的作法也显粗糙。
(3)罗辛斯基及库兹明公式:
1950年罗辛斯基及库兹明借助指数流速分布公式,并采用假设
右%呂
r目卯
5
导出了环流流速的垂线分布公式:
■■V
叫二1.53予右怙(沪30-0.8)沽話
式中:
t为流场中某点的剪切阻力;tr为其径向分量;u为该点流速;Vr、VB分别为
法向和垂向分速。
上述环流流速分布公式形式简单,但Vr与C2成正比,而实验表明C值
即使减小一半,横向流速也仅在河底处有明显的减小。
因此,上式的结构欠妥,从模型相似律的原理也能证明这一点。
以此式推导比尺关系,将会得出“变态模型中环流沿水深的分布仍与原型相似”的结论,这明显与实际不符。
1.1.3弯道纵向垂线平均流速的平面分布
(1)
椿东一郎公式[11]:
为上式在岸壁处存在较大的误差,修正后给出如下公式:
式中「I、「2——凸岸和凹岸的曲率半径。
(2)张植堂公式:
v帶凸妙+[(¥乎卩-忙讪]闻(-豈
该式在推导过程中没有考虑横向水流运动的影响,且忽略了水深、比降以及河道阻力的沿程变化,故用于冲积河弯时难免存在相当程度的近似性。
(3)1989年王韦、蔡金德对矩形断面人工弯道的纵向垂线平均流速进行了理论分析。
从谢才公式和水面超高公式人手,建立了弯道内任一点纵向垂线平均流速的计算公式。
在弯道中心部分,计算值与实测值基本一致。
计算公式如下:
g(久普寺)
式中Sb――弯道中心线上床面切向坡度。
1.2河弯演变规律研究现状
河弯演变规律主要包括河道的冲淤变形、河弯平面形态等方面的演变规律。
本文仅就弯道的最大冲深、河弯蠕动等方面的研究加以叙述[12]。
1.2.1弯道最大冲刷深度
由于弯道水沙运动的复杂性,现阶段的弯道最大冲深计算公式都是经验或半经验半理论公式。
许多学者通过试验研究分析认为,冲刷深度除宏观上受主流速或流量支配外,其局部冲深的发展机理还受水流紊动影响,这种紊动来源于主流形态转变(变形和转向)时产生
掺混层和环流区所伴随的旋涡群。
(1)毛佩郁、毛昶熙公式:
毛佩郁等通过对多个弯道水流的分析,在其顺直河道冲深公式的基础上引入环流加强紊
动、助长冲刷的概念,得到以下弯道最大冲深的计算以式:
式中Tb――最大冲深;h——冲刷前河道水深;q――最大单宽流量;「2――凹岸弯
曲半径。
(2)王木兰、汪德耀公式
王木兰、汪德耀根据上游来水为清水,在弯道起动流速公式的基础上求得急流下弯道最
大冲深:
t入幕
式中
1.2.2河弯蠕动[13]
Nanson和Hiekin对加拿大Beaton河的平面蠕动进行了观测网,发现在2.4 许建林等基于动量矩定量,建立了弯道蠕动的动量模式,得出了以下结论: 天然河弯的岸壁冲刷速率与水流作用于岸壁单位面积上的力成正比,故在边壁抗冲性相同的条件下, 愈大,凹岸蠕动速率愈大,由于db在2.2 1.3数值模拟的研究现状 对弯道水流及河床变形研究采用的方法,一般包括理论分析、原型观测、物理模型试验和数值模拟等•由于数值模拟具有耗时短、成本低及可重复性等诸多优点,且随着计算机技术的高速发展和高效数值计算方法的不断出现,数值模拟已经成为研究弯道水流、泥沙运移及河床变形规律的重要方法之一,并已取得了很多模拟成果。 近年来,计算流体动力学 (ComputationalFluidDynamics,CFD)[®作为一门独立的学科逐渐成为流体力学和应用数学 的热门研究内容,且发展日趋成熟。 在这一趋势下,将理论研究成果与实际工程相结合的 CFD商业软件应运而生,FLUENT便是其中的杰出代表。 FLUENT软件可针对各种不同流动的特点,采用最佳的数值解法,在计算速度、稳定性、精度等方面达到优化组合,从而高效地解决各领域的复杂流动计算问题。 FLUENT软件的功能很全面,实用性也很广,它 将不同领域的计算软件组合起来,成为CFD计算机软件群,包括前期处理、数值求解和后 处理三大模块,核心部分是N-S方程组的求解模块⑷。 它不仅能给出反映水流运动总体特 性的各项运动参数,如流速、压强等,而且可以方便地计算出各项水流参数的全场分布,能给出相关流场的具体信息,减少了研究者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动,将更多的精力和时间投入到考虑问题的物理本质,优化算法选用,参数的设定,因而提高了工作效率。 2.发展趋势 (1)由于天然河流的水文条件具有很大的随机性,导致研究弯道河流流场数值模拟的输出结果具有较大的不确定性,为了提高其结果的精度和可靠性,对模型的不确定性分析将会逐步成为弯道河流数值模拟研究的一个热点,其意义在于,它力图反映弯道河流数值模拟能在多大程度上接近真实过程。 (2)弯道水流用数值模拟进行分析,能取得和实验很接近的结果,并且有计算快速、简捷、 方便的优点。 它不仅能给出反映水流运动总体特性的各项运动参数,如流速、压强等,而 且可以方便地计算出各项水流参数的全场分布,能给出相关流场的具体信息。 数值模拟的另一个主要的优点就是它的后处理功能,它能清晰的显示不同计算时刻、不同位置断面处的水流运动参数,对流线、涡线、速度分布等进行准确而清楚的显示,其效果是阅读数据文件所无法达到的,就是实际观测也与之无法比拟。 还可以应用它的自定义函数功能显示 出不同断面处的其它有效量值,如动能等。 (3)从研究现状来看,弯道流场的运动基本理论发展比较缓慢,一些关键的理论和技术问题没有得到很好地解决,对弯道河流的运动规律的认识还不够成熟。 因此,在今后相当长的时间内必须加强对弯道河流运动基本理论的研究和探讨,探索其运动的内在规律,推进弯道河流数学模型的进一步发展。 、设计内容和方法 1.内容 描述弯道河流流体运动规律的控制微分方程一般是非线性的,对于这些微分方程,一般很难求得解析解,只能通过一定的数值计算方法离散控制微分方程,得到代数方程组,再对其求解来得到近似数值离散解。 弯道水流是复杂的三维流动,横向水流运动是其非常重 要的特征,弯道中各处的平均流速沿河宽的分布沿程是变化发展的,为了准确得到弯道河流流场分布特性,要确定弯道河流的流速v、压力P以及空间分布、出弯后流速调整段的长度L(水流经过弯道进人出口直段后,纵向垂线平均流速沿河宽的分布还会感受到弯道的影 响,这一影响要经过很长的距离才能完全消失,水流流态才能恢复正常)等因素,然后在 前人研究成果的基础上,对弯道流场等问题进行探索研究。 2.方法 本次研究主要采用求解数学模型的方法为有限体积法。 有限体积法基本思想是: 将计算区域离散为若干点,以这些点为中心,把整个计算域划分为一系列互相连接但不重叠的控制体,将基本方程对每一控制体积积分,得出一组以计算节点上物理量为未知数的代数方程组来求解。 有限体积法是从物理规律角度出发,每一个离散方程都是有限大小体积的某物理量的守恒表达式,具有物理意义明确、可保证离散方程的守恒特性且可以适用于不规则网格和复杂边界条件的优点。 对由一个或多个控制体组成的任意区域,以至整个计算区域,都严格满足物理守恒定律,不存在守恒误差。 由于有限体积法的优点,在实际工程计算中常常采用该方法作为数学模型中的计算方法。 (1)阅读国内外弯道水力学、流体力学、河流动力学、Fluent技术基础等方面的文献,学 习相关理论知识,为弯道水流流场特性分析的数值模拟做准备。 (2)用gambit软件划分网格和设立边界条件。 (3)将网格文件导入fluent,迭代求解。 (4)计算完毕后,将计算文件导入tecplot中,进行数据后处理,进行弯道水流的压力分布、水流流场情况、水流流态特性、水深分布、流量情况等方面的研究和分析。 (5)改变流量Q,保持弯道不变,进行不同工况下的仿真模型分析对照,步骤与上面类似。 (6)改变弯道形式,保持流量Q不变,进行不同工况下的仿真模型分析对照,步骤同上。 四、预期结果 (1)水面横比降的形成造成整个弯道水面扭曲,从而导致弯道水流结构重新分布的规律。 (2)水面横比降使弯道断面出现横向压力差,从而导致弯道任一断面出现横向环流的条件分 析。 (3)从弯道顺水流横断面流速分布情况,弯道水流结构的调整引起流速沿纵向、河宽和水深 3个方向的分布发生变化的趋势。 (4)研究弯曲河流的特点,对河床的冲刷和淤积做出分析和预测,对河床横断面的凹岸冲刷与凸岸淤积现象做出计算,对河道的裁弯取直可行性及水流的运动特性做出正确分析判断,对河道岸线的整治、防护采取正确、适当的措施等。 五、日程安排 大三下学期 6周——20周 收集基本资料及图书、查阅国内外相关文献,学习fluent 软件等 大四上学期 1周一一5周 收集数据,整理资料,同时开始建立模型 6周——15周 建立完所有工况的模型和数据,试算完全部工况 15周——20周 研究分析数据,反复调整模型参数,再进行后处理过程 大四下学期 1周一一5周 论文撰写 6周——10周 修改论文 11周——15周 审核论文 16周以后 答辩 六、参考文献 [1] [2] [3] 王韦,许唯临,蔡金德,弯道水沙运动理论及应用,成都: 成都科技大学出版社,汤立群,河流及流域泥沙数学模型的研究与应用,博士学位论文,河海大学,余舜京,徐田荣,邹维日.CFD大型软件系统分布式并行处理模型研究】 学学报,2002,20: 112-116. 吴望一.流体力学].北京: 北京大学出版社, 1982. 1994 1999 J].空气动力 [4] [5]ThomsonJ,OntheOriginandWindingofRiversinAlluvialPlains.Prpc.RoyalSocietyofLondon,1876,25(3) ⑹刘月琴,弯曲型河流基本特性研究进展,人民珠江,20,(2003): 14 [7]钱宁,张仁,周志德•河床演变学[M]•北京: 科学出版社,1987. [8]RozovskiiIL,FlowofWaterinBendsofOpenChannels,IsraelProgramforScientificTranslation,1965. [9]张红武,吕昕•弯道水力学 [10]波达波夫,波达波夫选集, [11]王平义.弯曲河道动力学 [M].北京: 水利电力出版社,1993中国科学院水工研究室译,北京: 水利电力出版社,[M].成都: 成都科技大学出版社。 1958 1995. .1908 [J].成都科技大学学报, [12]O.Fargue,LaFormeduLitdesRivieresaFondmobile [13]许建林,曹叔尤,方铎,吴持恭.河流弯道蠕动的动量模式 1992,(6): 1—6 [14]Hickin,E.J.andNanson,G.C.TheCharacterofChannelMigrationontheBeattonRiver,NortheastBritishColumbia,Canada,Geol.Soc.Amer.Bull,1975,Vol.86: 487~494 [15]谢鉴衡,河流模拟,北京: 水利电力出版社,1990 指导教师意见 指导教师签名: 年月日 开题小组意见 负责人及成员签名: 答辩时间: 年月曰 注: 1.选题类型: 基础型、应用基础型、应用型、调研型; 2.课题来源: 国家级项目、省部级项目、横向合作项目、校级项目、自选项目;
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 弯道 水流 特性 分析 数值 模拟 研究 开题 报告