格栅扰动下的湍流场和悬移质泥沙浓度场模拟方法技术

本申请涉及一种格栅扰动下的湍流场和悬移质泥沙浓度场模拟方法，包括基于水平集的双流体空间过滤的大涡模拟(LES)模型确定湍流模型控制方程，建立水平集模型，用水平集函数法追踪自由水面的波动，并将整个计算域的密度和粘度设置为常数值，将上式重构为单流体方程式，求解水平集对流方程，同时将粘性泥沙模型集成于SCHISM模拟系统，细颗粒泥沙絮凝沉降过程采用SCB模型，采用浸没边界法处理流固耦合问题，同时采用分裂步方法求解流体方程式，通过MPI并行化来提高计算效率，最终进行求解从而模拟输出格栅扰动下的湍流场和悬移质泥沙浓度场。本发明专利技术在SCHISM模型的基础上添加细颗粒泥沙絮凝沉降群体模型和粘性沙模型，能够对格栅扰动下的湍流场和悬移质泥沙浓度场进行有效的模拟。有效的模拟。有效的模拟。

【技术实现步骤摘要】
格栅扰动下的湍流场和悬移质泥沙浓度场模拟方法


[0001]本申请属于水利工程实验
，具体是一种格栅扰动下的湍流场和悬移质泥沙浓度场模拟方法。

技术介绍

[0002]格栅紊流一般被称为近似各向同性紊流，是研究复杂紊流及相关物质输运的基础。实验室内格栅紊流的生成方法有固定格栅法和振动格栅法两种。固定格栅法不易控制且衰减较快，可供观测的时间较短。振动格栅法通过单片或者多片格栅在水箱内做垂直于格栅平面方向的振动，在格栅的开孔处和衔接处分别产生射流和尾流，二者相互掺混后在离格栅一定距离处产生近似各向同性紊流，称为振动格栅紊流(Oscillating Grid Turbulence，OGT)。OGT的特性很容易通过改变格栅的运行参数来控制，包括格栅开孔尺寸以及振幅和频率等，并能维持较长时间而不衰减，便于实施测量而广泛应用。
[0003]自然界中泥沙的起动和悬浮等有时是由高强度紊动而非平均流动引起，格栅紊流可以有效地模拟此类特殊水流条件下的泥沙运动。此外，格栅紊流可以将紊动作用分离出来研究泥沙和污染物的紊动扩散、泥沙对无机物的吸附和解吸作用等。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种格栅扰动下的湍流场和悬移质泥沙浓度场模拟方法，其特征在于，包括以下具体步骤：S1、建立基于水平集方程的双流体空间过滤的大涡模型的流体控制方程；S2、在模型中建立水平集模型，用水平集函数法追踪自由水面的波动；S3、在模型中基于泥沙颗粒大小分级描述絮凝团聚合和分裂过程；S4、在模型中应用浸没边界法对固液两相进行处理；S5、采用分裂步方法求解模型控制方程；S6、模拟输出格栅扰动下的湍流场和悬移质泥沙浓度场。2.根据权利要求1所述的一种格栅扰动下的湍流场和悬移质泥沙浓度场模拟方法，其特征在于，所述步骤S1建立基于水平集方程的双流体空间过滤的大涡模型的流体控制方程具体步骤为：基于水平集的双流体空间过滤的大涡模拟模型，构建湍流模型控制方程：基于水平集的双流体空间过滤的大涡模拟模型，构建湍流模型控制方程：式中，φ为定义的水平集函数；ξ
i
为网格坐标，为转换矩阵；J为转换矩阵的雅克比矩阵；U
i
为控制体的通量；u
i
为流速分量；ρ为密度；μ为动力粘滞系数；p为压强，τ
li
为压格子应力张量；κ为水面曲率；δ
ij
为Kronecker三角函数；h为光滑Heaviside函数；Re，Fr和We分别为无量纲的Reynolds数、Froude数和Weber数，定义如下：式中，U和L分别为特征流速和特征长度；g为重力加速度；ρ
water
和μ
water
分别为水的密度和粘滞系数；σ为表面张力。3.根据权利要求1所述的一种格栅扰动下的湍流场和悬移质泥沙浓度场模拟方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤为：S21、水平集函数φ是一个带符号的距离函数，在水体相为正值，在空气相为负值，各相中密度和粘度均为常数值，在穿过界面附近光滑过渡，随距离2ε变化，利用水平集函数φ计算水体相和空气相中的密度与粘度，ρ(φ)＝ρ
air
+(ρ
water
‑
ρ
air
)h(φ)μ(φ)＝μ
air
+(μ
water
‑
μ
air
)h(φ)h(φ)为光滑的Heaviside函数，定义如下：
S22、自由水面为距离函数φ为零的集合，求解水平集方程获得：S23、求解完成水平集对流方程后，距离函数不再保证是单位梯度，需要保证两相间质量守恒，为弥补不守恒的问题，模型求解质量守恒重初始化方程。4.根据权利1所述的格栅扰动下的湍流场和悬移质泥沙浓度场模拟方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤为：S31、将絮凝群组分为N个离散分组，用分型维数n
f
描述第i个絮凝群组的分形特性：描述第i个絮凝群组的分形特性：式中，m
i
，D
i
，ρ
f,i
分别表示第i絮凝群组的质量、直径和密度，D
p
为主要颗粒直径；S32、各絮凝团分组对应一种代表尺寸，分组尺...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志晶，韩俊峰，李健，吴华莉，姚仕明，金中武，周银军，刘昭希，刘小斌，刘玉娇，陈齐，陈鹏，朱帅，张玉琴，陈义武，马秀琴，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：