（水力学及河流动力学专业论文）恒定有压扩散流局部非稳态流动研究.pdf

中文摘要 扩散流是水工建筑物中常见的水流现象，如抽水蓄能电站上厂f 水库的进出 水口、有压泄水隧洞的出水口等的水流运动大多属此类流动。在一定边界和较大 扩散角条件下，扩散流在边壁处将发生流动分离，一旦扩散水流与边界分离，近 边界处将发生漩涡运动；扩散流的主流部分，在漩涡的不稳定位移或其它微小的 扰动下，将形成不稳定的横向摆动运动。在恒定流条件下，扩散段内主流部分发 生横向摆动运动的现象，我们称之为局部非稳态流动现象。由于局部非稳态流动 发生的区域并不局限在边界附近，因此，对水工构造物可能产生的不利影响就较 为突出。然而，相对其重要性而言，现今对局部非稳态流动现象的研究，却极为 有限。 针对扩散段中存在的局部非稳态流动现象，本文通过模型试验、数值模拟以 及理论分析，对其形成条件、产生机理、运动规律等问题进行了较为系统的研究。 ( 1 ) 某抽水蓄能电站上水库进出水口模型试验研究。结合某抽水蓄能电站 上水库进出水口物理模型试验，采用a d v 三维流速仪，对抽水工况下进出水 口拦污栅处的流速进行测量，同时采用频谱分析，对数据资料进行分析，探讨各 点流速的特征，揭示了该有压扩散流中存在局部非稳态流动现象。 ( 2 ) 有压扩散段局部非稳态流动专门试验研究。对不同平面扩散角的有压 扩散段进行试验，研究在一定边界条件下扩散段内产生局部非稳态流动现象的运 动特征。应用壁面丝线流动显示技术，对其流动过程进行观测研究；应用a d v 三维流速仪记录特征点的流速历时，对测点流速进行分析。探讨局部非稳态流动 的运动规律、产生机理及形成条件。 ( 3 ) 有压扩散段局部非稳态流动数值模拟研究。利用大涡模拟技术，系统 研究了有压扩散段内整个流场的变化和发展情况，并结合谱分析方法对恒定有压 扩散段中的水流流动特性进行分析，并与试验结果进行比较。 ( 4 ) 有压扩散段局部非稳态流动理论分析。对试验结果和数值模拟结果进 行理论分析，结果表明，一定边界条件下扩散流主流将与边壁分离，并在壁面附 近形成不稳定的漩涡区。在这些不稳定漩涡的影响下，流体的主流部分将随着漩 涡主体韵不规则运动而发生摆动运动，即出现恒定流中的局部非稳态现象。也就 是说在有压扩散流中，不仅存在随机的水流脉动，还存在由大涡运移引起的低频 拟序的主流整体摆动运动，一般情况下，主流的摆动运动和水流的随机脉动相比 具有较低的主频率和较大的摆动幅值，并遵循一定的规律性。 关键词：有压扩散流；局部非稳态流动：随机脉动：不稳定摆动；试验研究； 大涡模拟 a b s t r a c t d i v e r g e n tc u r r e n ti so n ec o m m o nf l o wp h e n o m e n o ni nh y d r a u l i cs t r u c t u r e s ，f o r e x a m p l et h ef l o wm o v e m e n ti n i n t a k e s o u t l e t so fap u m p e d - s t o r a g ep o w e rs t a t i o n , o u t l e t so fp r e s s u r ed i s c h a r g et u n n e la n ds oo n u n d e rg i v e nb o u n d a r yc o n d i t i o n ，f l o w s e p a r a t i o nw o u l do c c u r n e a rt h eb o u n & u y o n c et h ef l o ws e p a r a t e sf r o mt h eb o u n d a r y v o r t e xw o u l da p p e a r , a n du n d e rt h ea c t i o no fu n s t e a d yd i s p l a c e m e n to ft h ev o r t e xo t o t h e rl i t t l ed i s t u r b a n c et h em a j o rf l o ww o u l dd e v e l o pt ou n s t a b l el a t e r a ls w i n g s t h e p h e n o m e n o no fm a i nf l o ws w i n g i n gl a t e r a l l yi nd i v e r g e n ts e g m e n ti sc a l l e dl o c a l u n s t e a d y - s t a t ef l o w d u et ot h er e g i o no fl o c a lu n s t e a d y - s t a t ef l o wb e i n gn o tl o c a l i z e d i l e a l t h eb o u n d a r y , t h eh a n n f de f f e c t so ft h ef l o wt os t r u c t u r e sw o u l db ee v i d e n t h o w e v e r , c o m p a r e dw i t hi t si m p o r t a n c e ，t h es t u d yo nt h el o c a lu n s t e a d y s t a t ef l o wi s s c a r c e t h ef o r m i n g c o n d i t i o n , f o r m i n gm e c h a n i s m a n dm o v e m e n tr u l e so ft h e p h o n o m e n o no fl o c a lu n s t a b l e - s t a t e f l o wi n d i v e r g e n ts e g m e n ta r es y s t e m i c a l l y s t u d i e di nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt op h y s i c a lt e s t , n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ( 1 ) t h em o d e le x p e r i m e n ts t u d yo ni n t a k e s o u t l e t so fo n ep u m p e d - s t o r a g ep o w e r s t a t i o n i nt h em o d e lt e s to fi n t a k e s o u t l e t so fo n ep u m p e d - s t o r a g ep o w e rs t a t i o n ， a d v3 - dv e l o c i t ym e t r ei su s e dt om e a s u r et h ev e l o c i t ya tt h eo u t l e t su n d e rt h e p u m p i n gc o n d i t i o n , a n dt h r o u g hf r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y s i so fd a t ag a i n e d , t h e v e l o c i t yc h a r a c t e r so fe a c hp o i n ti sd i s c u s s e d , t h ep h e n o m e n o no fl o c a lu n s t e a d y s t a t e f l o we ) 【i s t i n gi nt h ep r e s s u r ed i v e r g e n tf l o wi sr e v e a l e d ( 2 ) t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nl o c a lu n s t e a d y s t a t ef l o wi np r e s s u r ed i v e r g e n t s e g m e n t b a s e do nt h ep r e s s u r ed i v e r g e n ts e g m e n te x p e r i m e n to fd i f f e r e n td i v e r g e n t a n g l e ，t h em o t i o nc h a r a c t e r so fl o c a lu n s t e a d y s t a t ef l o wa p p e a r e di nd i v e r g e n t s e g m e n tu n d e rg i v e nb o u n d a r yc o n d i t i o ni ss t u d i e d t h ef l o wp a t t e mi so b s e r v e db y s i l kt h r e a da f f i x e dt ot h ew a l l ，a n dt h ev e l o c i t yd u r a t i o nc o u r s eo fc h a r a c t e r i s t i cp o i n t s r e c o r d e db ya d v3 一dv e l o c i t ym e t r ei sa n a l y s e d t h ef o r m i n gc o n d i t i o n ，f o r m i n g m e c h a n i s ma n dm o v e m e n tr u l e so f t h el o c a lu n s t e a d y s t a t ef l o wa r ed i s c u s s e d ( 3 ) t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo nl o c a lu n s t e a d y - s t a t ef l o wi np r e s s u r e d i v e r g e n ts e g m e n t t h em o v e m e n ta n dd e v e l o p m e n to fw h o l ef l o wf i e l di np r e s s u r ： d i v e r g e n ts e g m e n ta r eg i v e nt h r o u g hl a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，f l o wc h a r a c t e r ：二：， a n a l y s e db ys p e c t r u ma n a l y s i s ，a n dt h er e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t r e s u l t ( 4 ) t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fl o c a lu n s t e a d y - s t a t ef l o wi np r e s s u r ed i v e r g e n t s e g m e n t t h er e s u l t so ft h e o r e t i c a la n a l y s i so nr e s u l t so fe x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns h o wt h em a i nf l o wo fd i v e r g e n tf l o ww o u l ds e p a r a t ef r o mt h eb o u n d a r y ， a n df o r mt h eu n s t a b l ev o r t e xr e g i o nn e a rt h eb o u n d a r y u n d e rt h ee f f e c to ft h e s e u n s t a b l ev o r t e x e s ，t h em a i nf l o ww o u l ds w i n g 、) i ，i t t lt h ei r r e g u l a rm o v e m e n to fv o r t e x , t h ep h e n o m e n o ni sn a m e l yl o c a lu n s t e a d yf l o wi ns t a b l ef l o w i no t h e rw o r d s ，t h e r e a l el o w - f r e q u e n c ya n dp s e o d u - o r d e ru n s t a b l es w i n g so fm a i nf l o w ，w h i c hi sc a u s e db y t h et r a n s p o r ta n dm o t i o no fl a r g ee d d y , b e s i d e ss t o c h a s t i cf l o wf l u c t u a t i o n i n c o m m o nc a s e s ，c o m p a r e d 谢也t h ef l o ws t o c h a s t i cf l u c t u a t i o n ，t h es w i n go fm a i nf l o w s h o w st h el o w e r - f r e q u e n c ya n db i g g e rs w i n gr a n g ea n df 0 h o w ss o m er e g u l a r i t y k e yw o r d s ：p r e s s u r ed i v e r g e n tf l o w ；l o c a lu n s t e a d y s t a t f l o w ；s t o c h a s t i c p u l s e s ；u n s t a b l es w i n g s ；e x p e r i m e n t a ls t u d y ；l a r g ee d d ys i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：象甏磐 签字同期： 妒7 年莎月世日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗苤堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存：汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：粜慧易 导师签名： t 弓f 尹亨 签字日期：如7 年多月汐f 1 签字同期：矽。7 年g 月产日 天津大学博士学位论文第一章绪论 1 1 水流的分离流动 第一章绪论 分离流动是一种常见的流动现象。它不仅在水利工程中( 如丁坝绕流、急弯 及桥墩后水流等) 广泛存在，在其它工程领域( 如航空、造船、动力机械工程及环 境工程等) 亦时常遇到。水流分离后对水工建筑物的运行及泥沙、污染物的输运 等方面都具有重要的影响。 1 1 1 分离流动的基本现象 分离流动是流体动力学中一类复杂的流动现象。分离现象总是与物体尾迹中 涡的形成以及能量损失联系在一起的，一般而言它主要发生在钝体附近。由于分 离面在有些流动中将不断的卷起、形成和发展成流场中的漩涡，更增加了分离流 动的复杂性【。 1 1 1 1 分离的物理图象及其形成条件 在粘性流体的流动过程中，如果流动雷诺数r e 很高时，粘性影响仅局限于 紧贴壁面的薄层中。如果实际流体的无滑移条件可以不考虑的话，那么实际流体 与理想流体相比，两者的流场似乎没有什么明显的差别【2 】【3 1 。然而，事实上，由 于粘性的影响流体要粘附在固壁上，这就意味着摩擦力阻滞了固壁附近薄层内流 体的运动。在这个薄层内，流体的速度从固壁处的零( 无滑移) 逐渐增加到相应 的无摩擦外流原有的值，l p r a n d t l 称这一薄层为边界层。 图1 1 给出了平板边界层内的速度分布。在平板前方，来流速度分布是均匀 的。随着从平板前缘向下游方向距离的增加，越来越多的流体由于受到粘性的影 响，受阻滞的边界层厚度6 也就不断增加。显然该厚度随粘性系数的减小而减小。 在高雷诺数流动中边界层厚度6 是很小的，所以边界层流动的横向速度梯度 勃, o y 很大。即使流体的粘性系数很小，边界层内的摩擦切应力( f = 抛却) 仍然相当大。而在边界层外，流动中的摩擦切应力是非常小的。基于这样的物理 图象，可以把整个粘性流体的流场分成两个区域：一个是边界层以外的区域，其 中由于摩擦应力很小，可以忽略不计，在这个区域中，理想流体理论可以给出很 好的近似结果；另一个是邻近壁面的边界层流动区域，其中的粘性切应力是很重 天津大学博士学位论文第一章绪论 要的，必须考虑摩擦。在这个区域内应该利用粘性流动的控制方程一一 n a v i e r - s t o k e s 方程进行计算。然而，边界层厚度很薄的物理条件下，可将n s 方程简化成颇为简单的边界层方程。对于绕流中壁面附近的边界层，如果沿主流 方向存在逆压梯度，在边界层外的主流中能以减少动能( 即减慢主流速度) 来提 高压强。但是在边界层内，流动由于受粘性的阻滞已经失去了部分动能，所以在 逆压梯度的作用下( 在边界层内沿壁面的法向上，压力是不变的) ，靠近内层的 流动速度减小的比例要比外层减速的比例更大，结果使其速度分布的形状沿流动 方向变得越来越瘦。 图1 1 平板边界层内速度分布示意图 图1 2 给出了在逆压梯度作用下边界层内速度分布变化的示意图。与此同时， 在壁面上锄咖的大小或摩擦应力也随着逆压梯度的增加而减小。当该压强梯度 足够大时，邻近壁面附近的流动依靠其动能已不足以来提高所要求的压强，这时 就会形成靠近壁面附近的反向流动，而远离壁面的主流仍按原方向流动，这就形 成了图1 2 ( a ) 所示的边界层在s 点起始的分离流动现象。这时壁面上开始出现 分离的s 点处的抛咖值将减小到零。在分离点，s 下游的壁面上则由于反向流 动的存在而使锄砂变为负值。所以将( 锄砂) ，卸= 0 或壁面摩擦应力等于零作 ， 。 ，、 为判断一i 维分离的准则( 严格来说，还应有l a z 材砂缸j 枷 a 7 7 。 r a n s 的雷诺应力模型应当包括能谱耳动下的所有紊流脉动；l e s 的亚格子应力 模型只需要包括图1 5 中阴影部分的脉动；直接数值模拟的分辨率达到，因此不 需要任何模型。 k p k c k d 图1 5 说明d n s ，l e s 和r a n s 应用范围的能谱和湍能耗散谱 以上简要地说明了三种数值模拟方法对网格精细程度的要求，在相同雷诺数 的条件下，直接数值模拟的网格尺度最小，所以要求计算机的内存最大，计算时 间最长。雷诺平均数值模拟方法的网格尺度允许较大，因此要求计算机内存小， 计算时间短；大涡数值模拟介于两者之间。 三种紊流数值模拟方法给出的信息量有很大差别。直接数值模拟可以计算所 有紊流脉动，通过统计计算就可以给出所有平均量，如雷诺应力、脉动的能谱、 标量输运量等。雷诺平均数值模拟方法只能给出平均速度场、雷诺应力、平均压 强、平均热流量、平均合力等。大涡数值模拟方法给出的信息少于直接数值模杉 而大于雷诺平均方法，它可以给出大于惯性子区尺度的脉动信息，特别是大尺度 天津大学博士学位论文第一章绪论 脉动信息，同时通过统计计算也可以给出所有平均量。 1 2 局部非稳态流动现象 分离流动除了会引起流动和边界的脱离及漩涡等现象外，在某些特定的工程 区域和边界条件下，还存在某些我们尚没有完全掌握的水力现象。在大量的工程 实践和模型试验中发现：有压扩散段中，在一定的边界条件下，例如当扩散角超 出特定的范围，流动的分离常会引起水流主流的不稳定摆动。 工程中，为了将管道的小截面过渡为大截面( 流体的动能转化为压力能) ， 就要安装平顺渐扩的管段扩散段( 见图1 6 ) 。由于扩散段前的流速较高，扩 散段后流速较小，水流在很短的时间内能量与流态都发生了急剧的变化【4 】，要达 到水流均匀扩散，不发生脱离与反向流动，扩散段前后的水流流速的衔接就成为 一个需要解决的问题。如果扩散不均，会出现不良的水流条件，就可能带来流动 分离、不稳定摆动甚至大的漩涡等一系列的问题。 图1 - 6 扩散段体型 一般情况下，水流的自然扩散角与扩散起始断面的条件有关。对于较大的 f r 数，经多数研究证明：在圆锥形扩散管嘴出流时，出流不脱离边壁的全扩散 角0 5 0 7 0 5 1 ：对于方形沟槽，则在全扩散角口达到1 0 0 就会发生分离现象 6 1 ； 在扩散渠槽的明渠流中，只有当边壁的单侧扩散角0 7 0 时，才不致发生水流与 边界的脱离【5 】o 在对称扩散管中，如进口速度剖面是对称的，流动分离将一会儿 在扩散管的一边，一会儿在另一边交替地发生【7 1 。目前对于扩散段的研究多见于 由于过水断面的变化，使得水流内部各质点的流速、压强发生变化，即水流内部 结构发生改变，进而引起局部水头损失变化( 图1 - 7 ) 这方面。 旦扩散水流与边界分离后，近边界处将发生涡旋运动；扩散流的主流部分， 会出现主流时而偏向左壁时而偏向右壁的运动【8 】。在恒定流条件下，在扩散段内 发生的这种现象，称之为恒定有压扩散流不稳定现象或局部非稳态现象。在这一 类水流运动中，由于流场比较复杂，致使靠常规的理论分析、数值模拟等方法进 行研究难以取得令人满意的结果。同时，由于局部非稳态流动发生的区域并不局 限在边界附近，因此，对水工构造物可能产生的不利影响就较为突出。 天津大学博士学位论文 第一章绪论 形贮 巴多二，一 多l o n t ，、。 “ o ，一一一 艺二 图1 7 不同扩散角的水头损失系数 1 3 国内外相关问题研究进展 水流流动的局部非稳态现象对水工建筑物的运营安全具有重要影响，然而， 相对其重要性而言，现今对局部非稳态流动现象的研究，却极为有限。许多学者 从模型试验和数值模拟出发，针对与局部非稳态现象相关的水流流动分离问题开 展了相关研究。 在对突扩流的研究方面，周建军【9 】基于平面二维不恒定流数学模型和水槽试 验结果，对突扩明渠不恒定分离流的回流现象进行了模拟和验证，其结论被应用 于设计中；吕文堂【1 0 】利用k 一- - a 和k 一- - e 紊流模型对二维突扩分离流进 行了数值模拟；刘沛清【1 1 】【1 2 】利用大涡模拟技术，对明渠中跌坎后的二维突扩分 离流结构进行了数值模拟，探讨了这类典型分离流各特征区的流动性质，分析了 再附区壁面上不同不同测点处脉动压力的统计特征，并与实验结果进行了比较。 齐鄂荣0 3 - - 1 6 1 、王兵【1 7 】【1 引、刘应础1 9 1 、王小华【2 0 】等也对后台阶流动的流动特性 进行了试验研究和数值模拟研究。王小华【2 l 】通过二阶全展开e t g 有限元方法及 其与大涡模拟的结合，对不同雷诺数条件下的突扩流动进行模拟，得到的计算结 果与相关文献符合良好。并认为突扩流的水力学问题是由于截面几何形状发生急 剧变化或流动方向突然改变引起边界层脱体而形成大尺度漩涡，并产生局部阻力 而造成的。刘有军【捌用t g 有限元法求解二维大涡模拟的非定常n s 方程，数值 模拟了平面突扩流动，显示了回流区流动的多涡结构及其不稳定的周期振荡过 程。在对渐扩流的研究方面，华绍曾【7 】等主编的实用流体阻力手册对其导致 水流流态进行了研究，认为一定长度的渐扩管在增大扩散角时引起阻力系数增 加，主要是由于流动发生剧烈的紊流混合，边界层自渐扩管管壁分离和由此而产 生强烈的涡流区；当横截面扩大时流速降低，沿渐扩管长度方向产生压力的正梯 度( 按伯努利方程) ，在其作用下边界层就从管壁分离。对于进口处具有相同流 动条件、同样的相对长度或扩散度的渐扩管，当其扩散角从o 度开始增大，将导 8 7 6 5 4 3 2 o o o o o o o o o 天津大学博士学位论文第一章绪论 致四种基本的流动状态：( 1 ) 稳定状态，无分离状态( 无分离渐扩管) ；( 2 ) 不 稳定分离流动状态，分离的规模和强度随时间而变化( 强脉动流动状态，流动局 部分离的渐扩管) ；( 3 ) 完全发展的分离流动状态，这时，渐扩管的主要部分充 满返向回流( 流动极度分离的渐扩管) ；( 4 ) 射流状态，主流从渐扩管管壁的整 个周边脱离( 全分离渐扩管) 。其研究成果同时表明：渐扩管中的分离起始点与 1n 1 它的几何尺寸、流动状态( 雷诺数r e = = 监( 层流还是紊流) 和马赫数m 。= 旦 y 。 a ( 可压缩流体) ) 和进口流动情况( 边界层置换厚度万毒或脉动损失厚度万，其 中扩：f il 一旦b ：、万幸：f 旦ll 一旦l d y ；扰动程度和其它) 有关。黄民】 ml j司l 采用摄动方法推导了渐缩渐扩直圆管中定常发展流动的速度、壁面剪应力和阻力 系数的分布公式，结果表明简便管中发展流动较完全发展流动有很大的不同，对 均匀来流的情形，在发展流动区域内，速度分布较均匀，轴心速度降低，壁面剪 应力和阻力系数增大，和直圆管相比，入口长度亦有所不同。齐清兰 2 4 3 从能量方 程算出了有压水洞出口扩散的流量系数计算公式，并讨论了出口扩散对流量及出 口流速系数的影响，同时还指出了出口扩散对洞内压强的影响。王治祥1 2 5 】对高速 水流陡槽水力扩散特性进行了研究，指出高速水流在陡坡明槽上扩散运动时，其 1 扩散角可表示为水流动能参数的函数，t g # = ，并建立了扩散系数的计算公 蹬r 式。针对水流绕流的研究工作较多，且研究者大都采用数值模拟技术。徐元利【2 6 】 使用计算流体力学软件f l u e n t ，模拟均匀来流绕固定圆柱的流动，模拟雷诺数为 2 0 ，4 0 ，1 0 0 时的绕流流动，计算结果表明：当雷诺数增加时，流动表现出一系 列不同的构造，在雷诺数约为4 0 前后流场有明显变化，小于4 0 时，存在一对位 置固定的漩涡，大于4 0 时，流场开始变得不稳定，漩涡扩大、脱落、又生成， 逐渐发展成两排周期性摆动和交错的漩涡。并与实验结果比较，确认f l u e n t 能很 好地预测流动结构。刘松【2 7 】运用有限体积方法，对绕串列放置的双圆柱的二维不 可压缩流动进行了数值计算。在计算方法上，为研究两圆柱不同间距对圆柱问相 互作用和尾流特征的影响，选取间距比l d ( l 为两圆柱中心问的距离，d 为圆 柱直径) 在1 5 50 之间每隔1 3 5 共八个有代表性的间距进行了计算模拟。计算 均在r e = 2 0 0 条件下进行。计算结果表明：对该绕流问题，流动特征在很大程度 上取决于间距的大小。且间距存在一临界值，间距比几小于髓界值变化到大于临 界值将带来一些流动动力学量的突然变化，如下游圆柱阻力系数c 两圆柱升力 系数振幅以及s t r o u h a l 数的突然增大等( 在间距很小的情况下，后一圆柱甚至 会出现阻力系数为负的现象) 。反映涡脱落频率的s 勺r o u t m l 数，对于上下游圆柱 来说基本相同，尽管两圆柱后的涡脱落并非一致。s i m p s o n 【2 8 】用试验的方法研 天津大学博士学位论文第一章绪论 究了二维紊流分离的发展过程，说明二维紊流分离具有三维特性。童兵【2 9 】【3 0 】应 用有限差分法，对雷诺数为2 2 1 0 4 的方柱绕流进行了大涡模拟，对壁边界采用 自由滑移条件，同时结合两层模型来处理近壁区的发散问题，运用时间分裂控制， 同时还对绕方柱流的流场结构进行了分析研究。张柏山【3 1 】利用流动显示和片光源 技术，对绕丁坝的流动进行了实验研究，了解了丁坝参数对抗态的影响。实验是 在水槽中进行的，实验中发现由于底壁边界层受到丁坝产生的逆压梯度的影响， 在丁坝的上游会产生三维分离，进而形成马蹄涡，在丁坝的背风面会形成卡门涡。 按雷诺数的大小把绕丁坝的流态分成了4 种类型：定常单个马蹄涡、非定常单个 马蹄涡、非定常双马蹄涡i 及非定常双马蹄涡h ，实验表明丁坝的交角及丁坝的 个数对丁坝的流态有重要影响。蒋绿林【3 2 】应用目前比较流行的几种紊流模型对紊 流平板边界层分离流动进行了计算。王小华【3 3 】发展了二阶全展开e t g 有限元计 算格式，并与紊流的大涡模拟相结合，对雷诺数为1 0 0 0 0 条件下的二并列方柱绕 流的流场进行了数值模拟，较好地捕捉低频大尺度旋涡及其随时间的演变。对于 若干指定点，结出了压应力的时域过程并进行了频谱分析。结果表明，在边界条 件完全对称的前提下，对称点压应力的频谱并不相同，但差别主要集中在频率赂 高、含能甚少的频段。魏英杰【3 4 】应用二阶全展开e t g 有限元离散格式与大涡模 拟相结合的方法，对间距比为1 5 情况下的并列方柱绕流进行了数值模拟。结果 表明：对称边界条件下，双方柱绕流运动参量的时域过程虽然是不对称的，但其 频域过程却是对称的。张爱型3 5 】用有限元方法对于等边三角形布置的三个相同直 径的二维园柱绕流问题进行了数值模拟，分别求得了在不同间距比下的流场分布 和各圆柱的升、阻力系数以及s t r o u h a l 数。计算结果表明，小间距比情况下三圆 柱之间的干扰是严重的，流动不对称于中心轴线，而是偏向下游的某个圆柱。王 广超【3 6 】应用非均匀格子b o l t z m a n n 方法对方柱绕流的三种情况进行详细的数值 模拟，在第一种情况中，方柱位于流场中央，模拟了卡门涡街现象，给出了斯特 哈罗数随雷诺数变化曲线；在第二种情况中，方柱位于流场的壁面，分析了雷诺 数对方柱后回流区的影响；在第三种情况中，两方柱并列在流场中央，考察了方 柱间距对流场的影响。s a r p k a y a 3 7 】用离散涡模型模拟了圆柱体尾迹的二维漩涡脱 落。z d r a v k o v i c h l 3 8 】研究了不同排列的两个圆柱间的流动干涉。a t s u s h i 3 9 研究两 串连圆柱在高雷诺数周围的流动。叶春明【加】应用有限差分方法求解涡量流函数形 式的n s 方程，数值模拟了圆柱瞬时起动后流动分离，漩涡生成，脱落以及随时 间推进涡街产生和长期非定常演化过程，包括对称涡的生成，二次涡形成的口结 构及卡门涡街等。苏铭德】应用s m a g o r i n s k y 涡粘性模式和二阶精度的有限体积 法对圆柱绕流的流场进行大涡模拟，求解了非正交曲线坐标系下的n s 方程对 雷诺数为1 0 0 和2 0 0 0 0 的工况进行了计算。其主要目的为评估在雷诺平均方法不 天津大学博士学位论文第一章绪论 能有效求解的复杂流动中大涡模拟方法的有效性。陈文曲【4 2 l 数值研究了串列双圆 柱绕流下游圆柱两自由度涡致振动问题，研究发现：( 1 ) 双自由度的圆柱振幅峰 值及出现振峰的频率都较单自由度的大，( 2 ) 尾流圆柱中的升力远大于均匀流的， 而阻力却相反，( 3 ) 下游圆柱的位移响应对于频率比的变化没有均匀来流中的“敏 感”，( 4 ) 尾流中，在频率比1 1 6 和o 8 7 之间，出现了明显的“拍”现象，即圆柱 的振幅响应包含不同的频率，而在均匀来流中，并无明显的“拍”现象。采用朋一e 方法，计算网格采用h o 非交错网格系统，结合分块耦合方法。n s 方程的对 流项和扩散项分别采用三阶迎风紧致格式和四阶中心紧致格式离散圆柱振动采 用弹簧柱体阻尼器模型，柱体的振动方程采用龙格一库塔法求解通过模拟柱体 和流体之间的非线性耦合作用，成功地捕捉到了“拍”和“相位开关”等现象。 g e r r a r d e 4 3 】对非流线形物体后漩涡区形成的机理进行了研究，认为漩涡是由于上 下分离的剪切层的“夹带”和相互作用而形成并引起脱落的。b e a r m a n 4 4 对矩形 柱体绕流进行了研究，表明矩形柱体的分离与圆柱绕流不同，分离点固定于前缘 拐角处，它们不随雷诺数而改变位置。矩形柱体截面的宽高比对于绕流流态，漩 涡脱落和阻力特性影响很大。r o s h k o e 4 5 】应用自由流线理论的方法。求解垂直于 来流的二维平板的分离流动，) ( i a 】【4 7 】研究了轴对称体绕流尾迹的漩涡结构。 a c h e n b a c h 删通过试验观察和测量给出了圆球尾迹涡的结构，呈现为一系列“发 卡形”基元涡所组成的相互锁定的“涡链 状，这种“发卡形”涡在在尺度及脱 落方位上都有较大的随机性，各涡元素的指向故也是随机的。 在对分离流动的其它研究方面，王兵【4 9 】对后台阶分离流动中涡结构的演变进 行了大涡模拟，研究了流场结构的变化规律。详细讨论了随着雷诺数的增加流场 结构的典型特征的变化规律，指出流场中的涡结构随着雷诺数的增大变得十分复 杂和丰富，回流区的数目、大小及其出现的位置也显著地不同。刘焕芳【5 0 】根据弯 道纵向垂向平均流速分布公式，利用进口断面凹岸流速为零和出口断面凸岸流速 为零的条件，建立了判别弯道水流在凹岸和凸岸是否分离的条件关系式。利用水 流分离的判别式，结合前人的定性研究成果，较系统的分析了相对曲率半径、水 流的强度、来流条件、河床形态、河床粗糙情况、相对水深及弯道中心角等因素 对水流分离的影响。并认为水流发生分离的本质是由于水流能量不足以克服所受 的阻力而使局部水流呈现与主流相反方向的流动。当水流中存在正压力梯度的区 域，或水面出现纵向负比降时，则在该处有可能出现水流分离区。其另一个重要 结论是认为由于扩散段水流的复杂性及数学手段的限制，至今尚未能给出比较全 面的水流分离的定量判别条件。刘月琴【5 】应用三维声学流速仪对水力光滑壁面的 弯道水流紊动特性进行了系统的试验研究，探讨了弯道水流的紊动机理。王兴奎 s z a n w a ：5 3 】对分别明渠水流的紊动进行了研究，探讨了明渠水流的紊动机理。董 天津大学博士学位论文第一章绪论 志勇瞰】通过试验量测了鹅颈型管道水流的三维流速( 不同层面和