工程湍流模式研究及开发应用.pdfVIP

工程湍流模式的研究及其开发应用 倪浩清 (中国水利水电科学研究院，北京l∞044) 摘要为了对自然界中普遍存在的湍流运动的扎理和规律进行研究．使之在工程实践中得到应用，非常实 用而且有效的方法是工程湍流模式．本文总结了作者十几年来提出的几种工程湍流模式，以及这些模式在 冷却水工程、环境工程以及海洋工程研究方面的应用．在此基础上，作者给出了一个全新的深度平均的代 数应力模型，经实际模拟计算，新模型所预报的污染物的扩散、稀释和白净的范围更接近实际，优于各向同 性深度平均的女一E全场模式 关t词 工程湍流模式；代数应力模型；数值模拟 0引 言 湍流运动的形态普遍存在于大气、海洋、化学、生物、电学、声学等问题中．湍流是对空间不规则和 对时间无秩序的一种非线性、多尺度的流体运动，这种运动与不规则的流动边界一起产生了非常复杂 的流动状态．多年来国内外的许多研究者从不同角度对它们的机理进行了研究，诸如：混沌、分形、重 整化群的方法；切变湍流的拟序结构、湍流大涡模拟、直接数值模拟等．这些湍流理论、概念及机理清 晰．但由于所解的偏微分方程组过于庞大、复杂，所以距解决工程中实际问题为期甚远．因此，工程上 最常用的方法仍然是各种湍流模型． 湍流模型名称繁多，一般可进行如下的分类：(1)按发展历史来分，有零方程模式(混台长度模 式)，主要用于模拟射流、边界层流动、管流等简单流动；单方程模式(^方程模式)，主要解决剪切层问 题；双方程模式(≈一￡模式)，可用于平面射流、平壁边界层、管流、通道流、喷管内流动、无旋和弱旋的 二维和三维回流流动；雷诺应力模式(Ⅸ洲)，能准确地计及各向异性效应，如浮力效应、旋转效应等． (2)按湍流流动特征来分有：射流与羽流、分离流、回流、环流、旋流、温差异重流、泥沙异重流、两相及 多相流等湍流模式．(3)根据流体运动的特点来分有：近区湍流模型、远区湍流模型、全场湍流模型 等．(4)按所应用的工程领域有：生态、环境、化工、能源、水利水电、航空航天等湍流模型．作者十几年 来，结台环境工程、冷却水工程和海洋工程，针对不同工程问蕊的特点，提出了几种湍流模型，并在实 际工程中加以应用，解决了一些实际工程问题，取得了明显的经济效益和社会效益．本文首先介绍作 者近年开发并经实际运用的几种工程湍流模型，最后着重介绍作者必威体育精装版提出的“深度平均的代数应力 湍流全场新模式(DAsM)”． 1几种扩展、简化和改进的湍流模式 1．1 湍浮力回流模型在明渠温差异重流中的应用… 在对浅水明渠温差异重流流动特点及界面掺混规律分析的基础上，对＆￡双方程模式浮力计及 密度变化，在酬ds动量方程中浮力项成为触，＆方程中浮力项成为：磨i(雎／ar)(ar加批)，e -fW- 蠢 方程中的浮力项成为：q(e／≈)犀。(户。／dr)(ar朋孔)，经多次检验计算，s方程计及浮力项效果不甚 显著，至于湍流的酬数。，则由如下的经验公式加以修正：即=5(舅·舅)(蕞)．作次修正 后，计算的温度分布与实验资料符台良好．模拟温差异重流形成过程中现象也非常成功． 1．2代数应力模型在各向异性湍浮力回流中的应用【2 在o-m和Rc，di对湍浮力回流代数应力模式简化的基础上，倪浩清等考虑水平射流原因，进一步 表达应力，则由面、面和历的代数式联立求解得 一P”2i瓦 式中 l—02 a丁 1 n＆2 1+ii船≯巧 d“ ～乏等{号(卫岩)+[鼍掣+皆】詹警} 也可仍然规定一P面=户，(Ju月，)，其中p，=‘础2／E，c’，=年／％I，‘不再是常数，而是^、E amy等的函数． 类似地，由面、历和静的代数式联立求解得 —p葫：出掣 ‘ 口rIdy 式中 L ·+【等掣+旨】磨苎舅clcrl cr