分層環(huán)境中水流及污染物擴散輸移數(shù)值模擬.pdf

1、分層流動是自然界很普遍的一種流動現(xiàn)象,在分層流中,水體密度不均勻對水流紊動的影響是十分復雜的問題,數(shù)值模擬這類分層流也是一項比較困難的工作.尤其是對同時存在溫度梯度和鹽度梯度的分層流和三維各向異性湍浮力流的流動結構,目前針對此的研究還很少.為此,本文針對這兩種分層流的流動特性,建立了相應的數(shù)學模型,并進行了數(shù)值模擬計算.本文首先以Navier-Stokes方程和κ-ε湍流模型為基礎,考慮浮力對紊動的影響,建立了溫度和鹽度分層流的κ-ε模

2、型,模型不僅在控制方程中計及了密度變化,而且對湍流Schmidt數(shù)也做了浮力修正.應用本文模型,對同時存在溫度和鹽度梯度的一類密度分層流進行了數(shù)值模擬計算,計算結果正確地反映了分層及紊動特征,與實測結果吻合較好.由于κ-ε模型是假設紊動各向同性的,對于很多紊動各向異性問題,較難得到滿意的結果.因此,本文建立了溫度和鹽度分層流應力—通量代數(shù)模型,模型的數(shù)值計算結果比κ-ε模型更加接近實測值,并且較好地體現(xiàn)了湍流各向異性的特征,許多區(qū)域內湍

3、流脈動在水平方向上較強,而在垂直方向上較弱,反映出浮力對湍流的削弱作用.此外,本文以κ-ε模型為基礎,建立了溫度和鹽度分層流雙流體模型,并采用溫度和鹽度凍結假定,對溫度和鹽度分層流進行了數(shù)值模擬.雙流體模型區(qū)別于單流體模型的最重要特點之一就是相間耦合效應,即不僅要考察兩相流體本身的湍流輸運規(guī)律,而且還考察兩相間質量、動量和能量的相互作用.將計算結果與實測結果進行比較,表明本文模型能正確地反映溫度和鹽度分層流的分層及紊動特性.彎曲邊界上湍

4、流流動的模擬,是傳熱傳質研究中的基本問題,對河道整治、航運和城市工業(yè)污水排放等研究有重要意義.因此,本文建立了三維各向異性湍浮力流動的應力—通量代數(shù)模型,對彎道中復雜的三維溫差異重流的湍流流動進行了數(shù)值模擬,并以實測資料進行了對比分析.結果表明,模型的模擬效果非常滿意,揭示出彎道溫差異重流的湍流流動所具有的二次流特征—多環(huán)結構的二次流,這種二次流對流場整體特性會產生顯著的影響,從而導致溫度場或污染物濃度場的擴散摻混規(guī)律發(fā)生變化.結果還反