【摘 要】
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马蹄涡是平面或曲面与突起物构成的角区流场中的主要流动结构,具有强烈的三维非定常流动特性,常与来流边界层、角区结构物等相互作用,对角区结构安全构成威胁。为了探究角区马蹄
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马蹄涡是平面或曲面与突起物构成的角区流场中的主要流动结构,具有强烈的三维非定常流动特性,常与来流边界层、角区结构物等相互作用,对角区结构安全构成威胁。为了探究角区马蹄涡系的结构特性,研究水位高度、来流速度和自由液面等流动参数对角区马蹄涡系的影响,本文运用计算流体力学软件Fluent,采用基于SST k-ω湍流模型的IDDES方法,对圆柱与平板构成的三维角区流场进行了数值模拟研究。 文中首先对不考虑自由液面时,来流水深为0.25m,来流速度为0.673m/s状态下的单相流流场进行数值模拟,划分三种数量的网格,并对这三种不同网格的计算结果进行对比分析,验证了数值方法的准确性,确定了合适的网格数量和网格节点分布,并以此为基础,生成考虑自由表面流动的网格,并完成算例验证。 针对不考虑自由液面的单相流和考虑自由液面的两相流,在Re=1.13×105和2.25×105的两种雷诺数条件下,分别计算了来流水深为0.1m、0.175m、0.25m和0.325m的共计16种工况。研究发现,在不同流动参数条件下,角区湍流马蹄涡系的振荡具有准周期性,其振荡周期受水深、雷诺数、自由液面等流动参数的影响;对于不考虑自由液面的单相流:来流雷诺数相同时,水深的改变对角区涡系没有产生明显的影响;水深相同时,雷诺数的增大使涡系的振荡频率增大,主涡向下游靠近角区的方向移动,涡的强度增大,涡系作用于圆柱周围床面上的壁面摩擦系数减小;在考虑自由液面的两相流中:相同雷诺数条件下,随水深的增加,角区涡系的振荡频率逐渐增大,涡系中主涡向下游靠近圆柱的区域移动,涡系作用于圆柱上游的床面形成的剪切应力增大;水深相同的工况中,来流雷诺数的增大时,角区涡系的振荡频率减小,主涡向远离圆柱的上游方向移动,涡的强度增大,床面上的壁面摩擦系数减小,但随着水深的增加,雷诺数对角区涡系的影响程度减弱。另外,研究还发现,在相同雷诺数条件下,随着来流水深的增加,自由液面对角区涡系的振荡频率、主涡的位置、涡系作用于床面形成的剪切应力等的影响程度减弱。
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