曲線坐標系下水流和污染物擴散輸移的湍流模型.pdf

1、根據(jù)對前人研究工作的總結和本課題研究的需要,對坐標變換、湍流模型、交錯網格、自由表面流動和污染物擴散輸移的數(shù)值計算進行了系統(tǒng)的文獻綜述,以研究曲線坐標系下水流運動和污染物擴散輸移的數(shù)學模型作為本文的研究重點.不規(guī)則邊界的模擬采用坐標變換方法;通過對湍流模型的經濟性和準確性對比分析,建模中分別采用了標準κ-ε湍流模型和代數(shù)應力湍流模型來模擬流動的湍流特征;模型離散采用有限體積法,變量在離散網格上的布置分別采用了B-交錯網格、C-交錯網格和

2、同位網格三種網格系統(tǒng);模型求解時使用SIMPLEC算法;對模型中污染物擴散輸移的數(shù)值模擬時,只對具有實測資料的實驗室連續(xù)彎曲水槽的平面二維、三維部分斷面的濃度分布進行驗證,在對實驗室明渠立面二維、天然彎曲河流的平面二維和三維模擬時,只給出了污染物在特定排放情況下的濃度分布預測.本文推導了Reynolds Averaged Navier Stokes(RANS)方程在平面二維ξ-η坐標、立面二維σ坐標和三維ξ-η-s坐標下的變換公式,建立

3、了ξ-η坐標下平面二維水流和污染物擴散輸移的標準κ-ε湍流模型和代數(shù)應力湍流模型、σ坐標下立面二維水流和污染物擴散輸移的標準κ-ε湍流模型和代數(shù)應力湍流模型以及ξ-η-s坐標下三維水流和污染物擴散輸移的標準κ-ε湍流模型.對實驗室連續(xù)彎曲水槽和天然河流進行了平面二維水流的數(shù)值模擬.對天然彎曲河流部分斷面計算縱向流速、水位和實測值進行了比較;對兩種湍流模型計算的實驗室連續(xù)彎曲水槽中部分斷面的流速、湍流動能、湍流動能耗散率進行了比較.用實驗

4、室連續(xù)彎曲水槽中的污染物的濃度分布對模型進一步驗證,并對天然彎曲河流中特定位置排放污染物的對流擴散進行了預測.以實驗室明渠為例對立面二維模型進行驗證,實現(xiàn)了水流和污染物擴散輸移的數(shù)值模擬.分別計算了靜壓假定和非靜壓假定情況下的自由面水位值,并進行了比較、分析.應用標準κ-ε模型和代數(shù)應力模型分別對算例進行計算,比較了部分斷面的流速、湍流動能、湍流動能耗散率和摩阻流速的分布,并應用代數(shù)應力模型計算了Reynolds應力分布.進行了在污染物

5、特定的排放情況下濃度場的預測.通過對實驗室寬淺強彎水槽和連續(xù)彎曲水槽的流場進行驗證,計算了部分斷面的二次環(huán)流,并對具有實測資料的斷面進行比較.對實驗室連續(xù)彎曲水槽進行了污染物濃度場的驗證,從計算結果看來,由于三維模型計算了二次環(huán)流,濃度場的分布比二維模型的計算結果更合理,避免了二維模型中靠調整橫向擴散系數(shù)來加大污染物的橫向擴散.在對天然河流的三維模擬中,對自由表面的模擬,采用"改進的剛蓋假定"法;對河床地形的近似,首先應用"網格堵塞技術