分层环境中水流及污染物扩散输移数值模拟

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分层流动是自然界很普遍的一种流动现象,在分层流中,水体密度不均匀对水流紊动的影响是十分复杂的问题,数值模拟这类分层流也是一项比较困难的工作.尤其是对同时存在温度梯度和盐度梯度的分层流和三维各向异性湍浮力流的流动结构,目前针对此的研究还很少.为此,本文针对这两种分层流的流动特性,建立了相应的数学模型,并进行了数值模拟计算.本文首先以Navier-Stokes方程和κ-ε湍流模型为基础,考虑浮力对紊动的影响,建立了温度和盐度分层流的κ-ε模型,模型不仅在控制方程中计及了密度变化,而且对湍流Schmidt数也做了浮力修正.应用本文模型,对同时存在温度和盐度梯度的一类密度分层流进行了数值模拟计算,计算结果正确地反映了分层及紊动特征,与实测结果吻合较好.由于κ-ε模型是假设紊动各向同性的,对于很多紊动各向异性问题,较难得到满意的结果.因此,本文建立了温度和盐度分层流应力—通量代数模型,模型的数值计算结果比κ-ε模型更加接近实测值,并且较好地体现了湍流各向异性的特征,许多区域内湍流脉动在水平方向上较强,而在垂直方向上较弱,反映出浮力对湍流的削弱作用.此外,本文以κ-ε模型为基础,建立了温度和盐度分层流双流体模型,并采用温度和盐度冻结假定,对温度和盐度分层流进行了数值模拟.双流体模型区别于单流体模型的最重要特点之一就是相间耦合效应,即不仅要考察两相流体本身的湍流输运规律,而且还考察两相间质量、动量和能量的相互作用.将计算结果与实测结果进行比较,表明本文模型能正确地反映温度和盐度分层流的分层及紊动特性.弯曲边界上湍流流动的模拟,是传热传质研究中的基本问题,对河道整治、航运和城市工业污水排放等研究有重要意义.因此,本文建立了三维各向异性湍浮力流动的应力—通量代数模型,对弯道中复杂的三维温差异重流的湍流流动进行了数值模拟,并以实测资料进行了对比分析.结果表明,模型的模拟效果非常满意,揭示出弯道温差异重流的湍流流动所具有的二次流特征—多环结构的二次流,这种二次流对流场整体特性会产生显著的影响,从而导致温度场或污染物浓度场的扩散掺混规律发生变化.结果还反映出弯道内湍流有明显的各向异性,体现出浮力与离心力分别在垂向与径向削弱湍流的作用.

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作者
胡振红;
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作者单位

大连理工大学;

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授予单位大连理工大学;
学科港口、海岸及近海工程
授予学位博士
导师姓名沈永明;
年度 2004
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类河流;
关键词
温度; 盐度; 各向异性; k-ε模型; 应力—通量代数模型; 双流体模型; 分层流; 数值模拟;

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