排水系统中流动特性及其与沉积物相互作用的数值模拟
发布时间：2024-01-09 19:00
城市的排水管网系统中涉及大量的流体力学问题,除了流动本身的特性外排水系统中面临的许多问题(例如沉积物的输运、冲刷等问题)还包含了与沉积物之间的耦合作用。传统的研究手段主要包括现场研究和实验室试验两种方法。但往往研究成本高昂且受制于实验条件的限制。计算流体力学数值模拟技术作为一种传统流体力学与数值方法的结合,伴随着计算机技术的高速发展,已逐渐成为另一种重要的研究手段,具有效率高、花费少、不受实验条件限制的特点,并且可以自由改变研究对象的几何构造与尺寸并控制与调整不同的变量的数值,强大的后处理使得数值模拟在计算完成后可以输出丰富的结果。但是其主要缺点是需要科学的设置和细致的模型校验以保证结果的可靠性。本文对于计算流体力学的原理和多相流的模拟方法进行了总结,并充分发挥了数值模拟的特点,在大量的文献综述基础上寻找了工程中面临的几个实际问题作为切入点,利用数值模拟的结果对排水系统中的流动特性以及与沉积物的相互作用进行了详细的探讨。首先本文使用数值模拟对于检查井区域的流场进行了讨论,并根据多普勒声学流量计的工作原理对于流量的测量误差产生的原因进行了讨论,对于检查井区域上下游的不同安装位置与安装效应...
【文章页数】：174 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
术语表
第1章 绪论
1.1 研究背景与研究现状
1.1.1 排水系统
1.1.2 计算流体力学
1.1.3 数值模拟在排水系统研究中的应用现状
1.2 论文的主要研究内容
1.2.1 主要研究内容
1.2.2 章节安排
第2章 计算流体力学数值模拟方法
2.1 流体基本控制方程
2.1.1 连续介质假设
2.1.2 质量守恒方程
2.1.3 柯西动量守恒方程
2.2 计算机数值模拟方法
2.2.1 分子动力学
2.2.2 直接数值模拟
2.2.3 大涡模拟
2.2.4 雷诺平均法
2.3 湍流模型
2.3.1 涡粘性假设
2.3.2 零方程模型
2.3.3 单方程模型
2.3.4 双方程模型
2.3.5 雷诺应力方程模型
2.3.6 格子玻尔兹曼法
2.4 离散化方法
2.4.1 空间的离散化
2.4.2 控制方程的离散方法
2.4.3 控制方程的离散格式
2.4.4 时间的离散化
2.4.5 数值解法
2.5 水气交界面预测方法
2.5.1 Level-Set法
2.5.2 界面跟踪法
2.5.3 流体体积法
2.6 水-固相耦合运动模拟
2.6.1 欧拉-欧拉法
2.6.2 欧拉-拉格朗日法
2.6.3 概率密度函数法
2.7 国内外主流CFD软件的发展与对比
2.7.1 Phoenics
2.7.2 Fluent
2.7.3 Ansys CFX
2.7.4 STAR-CD
2.7.5 NUMECA
2.7.6 Open Foam
第3章 检查井区域流量计安装效应的数值模拟研究
3.1 相关研究背景和研究现状
3.1.1 多普勒流量计
3.1.2 流量计测量误差的来源
3.1.3 声学多普勒流量计的安装效应
3.1.4 检查井的构造
3.1.5 检查井区域满管流流场规律
3.2 数值模型的建立与校正
3.2.1 研究对象和研究目标
3.2.2 模型设置与边界条件
3.2.3 网格的划分与网格独立性检验
3.3 模型校验
3.3.1 横截面的流场校验
3.3.2 检查井区域流动校验
3.4 流场分析
3.5 流量计的安装效应
3.5.1 不同安装位置对测量结果的影响
3.5.2 其他变量对测量结果的影响
3.5.3 反向安装流量计对于测量结果的影响
3.6 本章小结
第4章 落底井对颗粒物截除效率的数值模拟研究
4.1 落底井中颗粒物截除的研究现状
4.1.1 落底井
4.1.2 相关的实验研究
4.1.3 相关的数值模拟研究
4.1.4 研究目标
4.2 模型建立与设置
4.2.1 模型设置与边界条件
4.2.2 颗粒与流场的耦合方式
4.2.3 颗粒物运动轨迹的计算
4.2.4 颗粒物-壁面的相互作用
4.3 模型校验
4.3.1 网格校验
4.3.2 与实验结果对比
4.3.3 断面流速分布校验
4.4 实验范围的拓展
4.5 流场结果与颗粒物截除机理分析
4.5.1 影响颗粒物截除的因素
4.5.2 流场分析
4.5.3 颗粒物运动轨迹分析
4.5.4 颗粒物截除机理总结
4.6 落底井结构的影响
4.7 无量纲化公式的建立
4.8 本章小结
第5章 排水管网沉积物冲刷效果的数值模拟研究
5.1 研究现状与研究目标
5.1.1 排水系统中沉积物的特性
5.1.2 排水系统中沉积物的分类
5.1.3 临界水力条件
5.1.4 水力冲刷的相关研究
5.1.5 本章节研究目标
5.2 模型设置与校验
5.2.1 模型设置
5.2.2 底部剪切力计算
5.2.3 模型校验(现场研究)
5.2.4 模型校验(实验室研究)
5.3 冲刷波流动特性分析
5.4 不同变量对于冲刷效果的影响
5.4.1 糙度造成的影响
5.4.2 储水深度h造成的影响
5.4.3 坡度i造成的影响
5.4.4 下游水深h'造成的影响
5.5 本章小结
第6章 全文总结与展望
6.1 本文总结
6.2 研究展望
参考文献
作者简介
本文编号：3877740
【文章页数】：174 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
术语表
第1章 绪论
1.1 研究背景与研究现状
1.1.1 排水系统
1.1.2 计算流体力学
1.1.3 数值模拟在排水系统研究中的应用现状
1.2 论文的主要研究内容
1.2.1 主要研究内容
1.2.2 章节安排
第2章 计算流体力学数值模拟方法
2.1 流体基本控制方程
2.1.1 连续介质假设
2.1.2 质量守恒方程
2.1.3 柯西动量守恒方程
2.2 计算机数值模拟方法
2.2.1 分子动力学
2.2.2 直接数值模拟
2.2.3 大涡模拟
2.2.4 雷诺平均法
2.3 湍流模型
2.3.1 涡粘性假设
2.3.2 零方程模型
2.3.3 单方程模型
2.3.4 双方程模型
2.3.5 雷诺应力方程模型
2.3.6 格子玻尔兹曼法
2.4 离散化方法
2.4.1 空间的离散化
2.4.2 控制方程的离散方法
2.4.3 控制方程的离散格式
2.4.4 时间的离散化
2.4.5 数值解法
2.5 水气交界面预测方法
2.5.1 Level-Set法
2.5.2 界面跟踪法
2.5.3 流体体积法
2.6 水-固相耦合运动模拟
2.6.1 欧拉-欧拉法
2.6.2 欧拉-拉格朗日法
2.6.3 概率密度函数法
2.7 国内外主流CFD软件的发展与对比
2.7.1 Phoenics
2.7.2 Fluent
2.7.3 Ansys CFX
2.7.4 STAR-CD
2.7.5 NUMECA
2.7.6 Open Foam
第3章 检查井区域流量计安装效应的数值模拟研究
3.1 相关研究背景和研究现状
3.1.1 多普勒流量计
3.1.2 流量计测量误差的来源
3.1.3 声学多普勒流量计的安装效应
3.1.4 检查井的构造
3.1.5 检查井区域满管流流场规律
3.2 数值模型的建立与校正
3.2.1 研究对象和研究目标
3.2.2 模型设置与边界条件
3.2.3 网格的划分与网格独立性检验
3.3 模型校验
3.3.1 横截面的流场校验
3.3.2 检查井区域流动校验
3.4 流场分析
3.5 流量计的安装效应
3.5.1 不同安装位置对测量结果的影响
3.5.2 其他变量对测量结果的影响
3.5.3 反向安装流量计对于测量结果的影响
3.6 本章小结
第4章 落底井对颗粒物截除效率的数值模拟研究
4.1 落底井中颗粒物截除的研究现状
4.1.1 落底井
4.1.2 相关的实验研究
4.1.3 相关的数值模拟研究
4.1.4 研究目标
4.2 模型建立与设置
4.2.1 模型设置与边界条件
4.2.2 颗粒与流场的耦合方式
4.2.3 颗粒物运动轨迹的计算
4.2.4 颗粒物-壁面的相互作用
4.3 模型校验
4.3.1 网格校验
4.3.2 与实验结果对比
4.3.3 断面流速分布校验
4.4 实验范围的拓展
4.5 流场结果与颗粒物截除机理分析
4.5.1 影响颗粒物截除的因素
4.5.2 流场分析
4.5.3 颗粒物运动轨迹分析
4.5.4 颗粒物截除机理总结
4.6 落底井结构的影响
4.7 无量纲化公式的建立
4.8 本章小结
第5章 排水管网沉积物冲刷效果的数值模拟研究
5.1 研究现状与研究目标
5.1.1 排水系统中沉积物的特性
5.1.2 排水系统中沉积物的分类
5.1.3 临界水力条件
5.1.4 水力冲刷的相关研究
5.1.5 本章节研究目标
5.2 模型设置与校验
5.2.1 模型设置
5.2.2 底部剪切力计算
5.2.3 模型校验(现场研究)
5.2.4 模型校验(实验室研究)
5.3 冲刷波流动特性分析
5.4 不同变量对于冲刷效果的影响
5.4.1 糙度造成的影响
5.4.2 储水深度h造成的影响
5.4.3 坡度i造成的影响
5.4.4 下游水深h'造成的影响
5.5 本章小结
第6章 全文总结与展望
6.1 本文总结
6.2 研究展望
参考文献
作者简介
本文编号：3877740
本文链接：https://www.wllwen.com/jingjilunwen/jianzhujingjilunwen/3877740.html