浅水圆柱绕流流动模式探讨-长江科学院.PDF

　 第２７卷第１０期 长　江　科　学　院　院　报 Ｖｏｌ．２７　Ｎｏ．１０　　 　　２０１０年１０月 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｏｃｔ．２０ １０　 　 　　文章编号：１００１－５４８５（２０１０）１０－００３０－０５ 浅水圆柱绕流流动模式探讨 李　玲，晏智锋，刘昭伟 （清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京　１０００８４） 摘要：数值求解了二维浅水方程和ＲＮＧｋ流模型，模拟了不同稳定性系数Ｓ和圆柱中心间距Ｇ下的单圆柱、两圆 ε 柱和三圆柱的尾流流动模式，研究了底部摩擦力对尾流结构的影响。结果表明：随着Ｓ增大，尾流在底部摩擦力的 作用下趋于稳定，大尺度涡结构逐渐消失。单圆柱尾流区依次出现了涡街（ＶＳ）尾流、不稳定漩涡（ＵＢ）尾流和稳定 漩涡（ＳＢ）尾流。多圆柱尾流除了受Ｓ数影响外，还与Ｇ密切相关。随着Ｇ的增大，两圆柱背后依次出现了单钝体 绕流、偏转尾流和对称尾流，三圆柱背后则依次出现了单钝体绕流、偏转尾流、对称尾流和非对称尾流。此外，数值 结果还表明多圆柱尾流结构不同于单圆柱，多圆柱并排使得尾流更加不稳定。 关　键　词：浅水尾流；流动模式；圆柱绕流；底部摩檫力；圆柱中心间距 中图分类号：ＴＶ１３１　　　文献标识码：Ａ 稳定流动的机制。在数值实验方面，Ｆｕｒｕｋａｗａ＆ ［１４］ Ｗｏｌａｎｓｋｉ 采用离散涡模型 ｄｉｓｃｒｅｔｅｖｏｒｔｅｘｍｏｄｅｌ １　概　述 （ＤＶＭ）对ＲａｔｔｒａｙＩｓｌａｎｄ浅水尾流进行模拟。李玲 浅水尾流的研究主要开始于上世纪８０年代，这 ［１５］ 等 分别利用Ｒｅｙｎｏｌｄｓ平均和水深平均的浅水方 ［１］ ［２］ ［３］ 一现象首先被 Ｓｃｏｒｅｒ ，Ｗｏｌａｎｓｋｉ ，Ｐａｔｔｉａｒａｔｃｈｉ ， 程对圆柱岛屿绕流进行数值模拟，得出了深水绕流 ［４］ Ｉｎｇｒａｍ 等人观察到，由于绕流障碍物尺寸一般比 和浅水绕流尾流区分别主要受Ｒｅ和Ｓ影响的结论。 较大，他们往往是通过航拍或卫星照片发现这些与 ［１６］ Ｓｔａｎｓｂｙ 采用三维边界层模型（３ＤＢＬ）模拟了小坡 深水绕流有着完全不同流动特性的尾流结构。为了 ［１７，１８］ 度圆锥形岛屿的潜水尾流。Ｓｔａｎｓｂｙ 还分别采 对这种尾流进行分类，Ｗｏｌａｎｓｋｉ等人提出了岛屿尾 用二维（２Ｄ）和三维边界层（３ＤＢＬ）模型模拟圆锥岛 流参数Ｐ，后来 Ｉｎｇｒａｍ＆ｃｈｕ提出了尾流稳定性参 屿尾流，分析了平均水深模型的局限性。江春波 数Ｓ，Ｓ＝ＣＤ／Ｈ，其中Ｄ，Ｈ分别为障碍物横向尺寸 ［１９］ ｆ 等 也使用平均水深浅水方程模型对平板后面的 和水深，Ｃ为底部摩擦系数，Ｓ反映了底部摩擦力和 尾流区进行了数值模拟。在计算过程中，他们采用 ｆ 惯性力之比。可以证明Ｐ近似与Ｓ成反比。此后 了３步有限元格式求解浅水方程，且对比了３种紊 学者们对浅水尾流开展了一系列实验研究［５－１３］。 流模型。多圆柱浅水尾流研究目前还比较少。