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动水环境下三维壁面射流机理特性的研究

作　者: 邓继军
导　师: 袁新明
学　校: 扬州大学
专　业: 水力学及河流动力学
关键词: 泥沙淤积三维壁面射流模型试验数值模拟水力特性射流比
分类号: TV134
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 29次
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内容摘要

随着经济的发展,水资源日益匮乏且水资源分布不均匀,因此管道输水已经得到越来越多的应用。在输水管道中,泥沙的淤积问题是一个比较常见但又较难解决的问题。虽然有一些简单的工程措施来减轻这一问题,但目前最主要的还是靠人工清淤,这样无疑增加了运行成本、减少了运行时间。针对这一问题,设想开发一套利用三维壁面射流设施定期定时的进行管道中的清淤工作。基于此,本文对动水环境下三维壁面射流机理特性进行研究。文中从理论分析、模型试验及数值模拟三个方面对动水环境下的三维壁面射流的流速分布、发展规律及影响范围进行了研究,主要的研究内容有：1、总结了自由射流及静水环境下的三维壁面射流理论的成果,借鉴他们的研究方法,为动水环境下三维壁面射流的深入研究打下基础。2、利用模型试验,测量在一定的动水速度下两种不同壁面射流流速情况下的流速分布,得出对称中心平面和展向流动平面的流速分布都各自具有相似性,对称中心平面的最大流速随着三维壁面射流的发展呈衰减趋势。3、通过数值模拟,计算得出了3组动水环境各7种射流比总计21个工况的射流流场,通过与模型试验实测数据的对比,肯定了数值模拟计算的准确性。对数值模拟结果的分析得出：三维壁面射流的影响范围与射流比呈线性关系,随着射流比的增大而增大,同时随着动水速度的增大,影响范围的增大速率也逐渐增大。通过本文的研究,得出了动水环境下三维壁面射流的发展规律,并着重研究了射流比及动水速度对射流影响范围的影响。研究表明,三维壁面射流能较大的提高近壁区的流速,因此应用到实际管道清淤工作中有一定的可行性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-15
  1.1 问题提出的背景  10
  1.2 问题研究的意义  10-11
  1.3 国内外研究的发展与现状  11
  1.4 研究方法  11-13
    1.4.1 理论分析  11-12
    1.4.2 模型试验  12
    1.4.3 数值模拟  12-13
  1.5 研究内容与目标  13-15
    1.5.1 研究内容  13-14
    1.5.2 研究目标  14-15
第二章射流理论及特性的研究  15-29
  2.1 自由紊动射流一般特性的研究  15-19
    2.1.1 断面流速分布的相似性  17-18
    2.1.2 射流边界的线性扩展特性  18
    2.1.3 自由射流的动量守恒特性  18-19
  2.2 三维紊动自由射流的研究  19-20
  2.3 三维紊动壁面射流的理论研究  20-26
    2.3.1 涡黏性系数模型  20-21
    2.3.2 壁面效应  21-23
    2.3.3 内、外层解的匹配  23-25
    2.3.4 质量通量和速度剖面  25-26
  2.4 三维紊动壁面射流的特性研究  26-28
  2.5 本章小结  28-29
第三章模型试验及试验结果分析  29-38
  3.1 试验装置及方法  29-30
    3.1.1 试验装置  29-30
    3.1.2 试验方法  30
  3.2 试验成果及分析  30-37
    3.2.1 实验现象及流速分布  30-34
    3.2.2 动水环境下三维壁面射流流速分布分析  34-37
  3.3 本章小结  37-38
第四章紊流模式理论与数值方法  38-49
  4.1 基本方程  38-39
  4.2 紊流数值模拟方法  39-45
    4.2.1 涡粘性模型(BVM)  40-43
    4.2.2 雷诺应力模型  43
    4.2.3 近壁紊流模型  43-44
    4.2.4 大涡模拟(LES)  44-45
    4.2.5 直接模拟(DNS)  45
  4.3 数值计算的方法  45-48
    4.3.1 有限差分法(Finite Different Method,FDM)  46
    4.3.2 有限单元法(Finite-Element Method,FEM)  46-47
    4.3.3 边界元法  47
    4.3.4 有限分析法(Finite-Analytic Method,FAM)  47
    4.3.5 有限体积法(Finite-Volume Method,FVM)  47-48
  4.4 本章小结  48-49
第五章动水环境下三维壁面射流数值模拟  49-77
  5.1 控制方程  49-51
    5.1.1 流体运动的基本方程  49-50
    5.1.2 RNG κ-ε紊流模型  50-51
  5.2 通用方程  51-52
  5.3 网格离散  52-53
  5.4 有限体积法离散方程  53-54
  5.5 流场数值计算  54-55
    5.5.1 流场计算方法  54-55
    5.5.2 SIMPLEC算法  55
  5.6 自由液面的处理  55-56
  5.7 边界条件  56-57
  5.8 数值模拟结果与试验比较分析  57-76
    5.8.1 数值模拟与模型试验的比较分析  57-59
    5.8.2 数值模拟结果  59-75
    5.8.3 动水环境三维壁面射流影响范围的研究  75-76
  5.9 本章小结  76-77
第六章总结与展望  77-79
  6.1 论文总结  77
  6.2 未来展望  77-79
参考文献  79-83
致谢  83-84

动水环境下三维壁面射流机理特性的研究

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