IMECH-IR  > 力学所知识产出(1956-2008)
复杂流动下底床局部冲刷实验和数值模拟研究
刘春嵘
Thesis Advisor呼和敖德 ; 马文驹
2003
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline流体力学
Keyword局部冲刷 大涡模拟 Ptv测速技术 振动格栅湍流 后台阶流
Abstract复杂流动与底床泥沙的相互作用一直是局部冲刷研究中的一个难题。近年来的研究表明,单纯以床面平均剪应力作为泥沙冲刷水动力因素的传统输沙理论用于研究复杂流动下冲刷问题并不合适。湍流强度、旋涡运动等也是底床冲刷的重要动力因素。本文在细观框架下,采用DPTV技术和大涡模拟数值方法对后台阶复杂流动下湍流大尺度涡与底床泥沙的相互作用进行了实验和数值模拟研究。在统观框架下研究了平均剪应力为零情况下泥沙的起动机理。建立了DPTV测速系统,并应用于本文湍流流场的测量。对过渡状态及充分发展湍流状态下后台阶下游大尺度流动结构的振荡特性、统计平均特性及复杂流动下床面泥沙的起动及冲刷机制进行了实验研究。发现大尺度流动结构的振荡范围随雷诺数的增大而增大。三维大尺度流动结构与底床相互作用导致近壁面的瞬时水平高速流是泥沙起动的重要动力因素。在大尺度流动结构振荡范围内,具有较高的泥沙起动概率,冲刷十分严重。在台阶下游约4倍台阶高度处为冲淤平衡点。随时间演化,冲淤平衡点基本不变,该点上游淤积不断增高,下游冲刷不断发展。建立了砂床上颗粒的三维运动方程,对台阶下游床面泥沙颗粒的运动进行了求解。得到和实验一致的沿台阶下游泥沙起动概率分布规律,并发现高剪应力发生概率和泥沙起动概率分布规律相似,表明床面瞬时剪应力能够反映湍流、大尺度涡对泥沙起动的作用;给出类似希尔兹曲线的泥沙起动临界瞬时剪应力与沙颗粒粒径无量纲参数的关系,发现本文泥沙起动的临界瞬时剪应力比由希尔兹曲线得到的临界平均剪应力高。考虑湍流、大尺度涡等动力因素对底床冲刷的作用,本文提出以床面瞬时剪应力作为泥沙冲刷水动力因素建立局部冲刷的三维数学模型。应用该模型对后台阶下游的三维流场、泥沙输运、床面演化进行大涡模拟藕合求解,从细观角度分析了底床冲刷机理。发现泥沙起动的随机性由床面瞬时剪应力分布的随机性决定;在复杂流动条件下,湍流、大尺度涡起掀沙作用,平均流动起输沙作用;回流区淤积沙堆引起回流强度及回流区高剪应力概率增高,导致回流区淤积向上游推移。冲刷坑的形成引起再附点位置及高剪应力概率峰值向台阶下游移动,导致冲刷范围向下游发展。冲刷过程的数值模拟结果与实验符合较好。采用振动格栅湍流研究了平均剪应力为零情况下泥沙的起动机理。应用DPTV技术对瞬时流场结构进行了测量,并得到了流场的统计平均特性。该结果和以往热膜及LDV的测量结果符合很好。特别对近壁面流场结构进行了细致研究,获得近壁粘性层内平均湍流动能的指数分布规律。建立了平均湍流动能和泥沙起动概率之间的关系。提出平均剪应力为零情况下泥沙起动的判据。
Call Number30121
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/23404
Collection力学所知识产出(1956-2008)
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GB/T 7714
刘春嵘. 复杂流动下底床局部冲刷实验和数值模拟研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2003.
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