水流作用下圆柱流场特征及局部冲刷三维数值模拟

发布时间：2024-02-19 10:31

　　当孤立式墩柱置于水流中时,水流的流场型态将会由于墩柱的阻碍作用而发生显著变化。在墩柱周围,水流的紊动将变得剧烈,大量涡旋系统也随之产生。伴随着墩柱前侧的马蹄形涡以及后侧尾涡的产生,墩柱周围床面处的泥沙将会被水流挟带至下游,从而导致墩柱周围出现局部冲刷。墩柱周围的局部冲刷一直是导致墩柱失稳的重要因素,也长期是研究泥沙冲刷的一个重要课题。国内外针对圆形墩柱周围的水流绕流型态及局部冲刷情况做了许多研究,但对大尺度墩柱的研究,尤其是对大尺度墩柱周围的局部冲刷的研究仍不完善。本文运用了FLOW-3D三维模拟软件中的紊流模型模块以及泥沙冲刷模块,基于大涡模拟方法先对不同尺度圆形墩柱周围的流场结构进行模拟和分析,随后再相应地对各组圆柱周边的局部冲刷进行了较长时间的模拟。通过和实验数据的对比,表明FLOW-3D能够较好地模拟出圆形墩柱周边的流场分布及局部冲刷情况。本次数值模拟很好地模拟出了柱前马蹄形涡的产生以及尾涡的脱落现象,根据模拟数据显示,随着圆柱直径的增大,圆柱周围的流场紊动显著加剧,相应的,圆柱周围的局部冲刷深度也随之变大。根据本次数值模拟的研究结果,发现圆柱迎水侧、背水侧以及边侧的冲刷深度随...

【文章页数】：85 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图1-1圆柱周围的水流结构

目前，国内外的学者们对于模拟这种水沙相互作用过程的研究还存在着一定的局限性，特别是在精度方面还有待进一步的研究。1.2国内外研究进展1.2.1圆柱绕流流场研究进展当一个直立式圆柱放置于恒定流场中时，水流的流场结构会因圆柱的阻碍作用而发生如图1-1所示的变化：（1）在圆柱的....

图2-1有限差分法示意图

F函数是一个关于时间和空1()()([yxFFAuFAvFAtVxy到各个单元格对应的F值。但是沿着自由表面是一个阶梯形函数会在F值的间断处产生数值振荡原本的定义。因此，FLOW-3D对自由表面进行重构。出的....

图2-1Hirt&Nichols界面重构技术

型结果与实验数据进行比对来验证模型的可行性。在三维圆柱绕流模型中，将对圆柱周围流场的x方向流速，z方向流速以及柱前的压力分布进行对比验证；三维圆柱冲刷模型则会将圆柱迎水侧、背水侧的冲刷深度，以及纵剖面上的冲刷坑形态作为验证重点。3.1计算域确定以及网格划分在建立模型之前，....

图3-1Y-Z平面上的网格划分

图3-2X-Y平面上的网格划分由于FLOW-3D中没有提供充分发展紊流的入流边界条件，故在进行圆柱绕流或冲刷模型计算前，首先应获取充分发展的紊流流速分布[45]。在模型计算前，首先建立一段宽度及深度与模型相一致的40m长的无圆柱空水槽模型，经过一段时间的空水槽模型模....

本文编号：3902548