第2章 高速水流的紊动

《第2章 高速水流的紊动》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第第22章章高速水流的紊动高速水流的紊动水利与生态工程学院张强主要内容概述高速水流的紊动特征及紊流运动分类高速水流运动的数学模型紊流特征量及其计算脉动壁压一、概述紊流是自然界和工程技术中广泛存在的一种流体运动现象，水利工程中的高速水流因速度高、尺度大，其流态不仅是紊流，而且一般是水—气两相流紊流。然因实际工程问题十分复杂，而目前对两相流紊流的研究又不十分深入，所以在研究高速水流的紊动特征时多数情况将其简化为单相紊流来处理。二、高速水流的紊动特征及紊流运动分类1、高速水流的紊动特征高速水流的紊动既具有一般紊流运动的特征，如随机性、大雷诺数，同时在能量耗损与扩散性等方面也有其自

2、身的特点，具体反映在如下几个方面：（1）能量耗损水流运动必然要消耗能量。对高速水流，其能量耗损是由其内的小尺度涡体通过黏性作用而造成的。目前，流体力学中有关流动控制问题的研究正方兴未艾，在高速水流中也有类似的水流能量耗损控制问题，如水工建筑物的消能问题等。（2）动水荷载当泄水建筑物泄流时，作用于其边壁上的动水荷载是导致建筑物振动的激振力，这种动水荷载实际上是边壁上的脉动压强与脉动切应力沿过流面综合作用的结果。目前对壁面脉动切应力的研究尚不多见，而对壁面脉动压强则研究甚多，这一方面是因测试手段所限，另一方面也是从工程实际考虑。例如，如果忽略泄流面曲率的影响，则脉动压强就成为动

3、水荷载的主要组成部分。我国水利界一般将作用于建筑物表面的脉动压强称为脉动压力，本文则将其称为脉动壁压。在水利工程中，脉动壁压的研究甚为重要。如果泄水建筑物上的水流为高速水流，动水荷载将大大增加，由此提高了对建筑物强度方面的要求，尤其是当动水荷载的主频率与建筑物的自振频率相近时，还有可能引起建筑物特别是轻型建筑物的共振。在分离水流内部，由于脉动压强的作用可能形成瞬态空化水流，有时虽然某些部位的时均压强不是很低，然因水流内部脉动压强的作用导致瞬时压强大大降低，由此增加了空蚀的可能性。此外，在研究岩石冲刷机理时，也常常会研究脉动压强对岩块的作用及沿岩石节理的传播。（3）两相紊流高

4、速水流或多或少地挟带有气泡，基本上属水—气两相紊流。高速水流中之所以能携带气泡，主要是水流的紊动扩散作用将气泡从浓度高的地方向浓度低的地方输送，以此抑制气泡的上浮作用，从而形成水一气两相紊流。因此，高速水流中的掺气浓度分布在很大程度上决定于水流的紊动强度及紊动扩散系数的分布。2、紊流运动分类从水流紊动特征的空间变化出发，可将紊流分为均匀紊流与非均匀紊流，非均匀紊流又可细分为自由切变紊流及边壁切变紊流。均匀紊流要求所有紊动特征量不随空间位置而变，也即任何紊动特征量的平均值及其空间导数在坐标作任何平移变换时不变。实际工程中的高速水流大都具有十分复杂的几何边界，因此高速水流很难出

5、现均匀紊流。自由切变紊流指的是固体边壁对紊动特性不发生直接影响的紊流，如射流、尾流及混合层等。在高速水流中，从溢流坝挑射出的水流可视为掺气散裂流。高速水流中因一般存在水—气交界面，因此也涉及混合层问题。此外，如闸墩下游足够长，闸墩下游的绕流也属于尾流问题。迄今为止有关高速水流中的混合层及尾流问题研究成果甚少。边壁切变紊流指的是固体边壁对紊动特性有直接影响的紊流，包括流体绕固体边界的流动及流体在固体边界之间的流动两种，前者称为外流，如绕平板的流动，其特点是紊流存在的区域沿物体向下游方向增加；后者称为内流，如明渠流、管流，其特点是紊流存在的区域限制在固体边界内。水利水电工程中的

6、高速水流大多属于明渠流，如溢流坝面上的流动、泄洪槽内的水流运动均属明渠流。三、高速水流运动的数学模型1、高速水流运动基本方程高速水流的运动速度虽然相对较高，其仍是流体的宏观运动，水流仍可视为连续介质，如其含气浓度不高，将其视为不可压缩流体，则运动控制方程仍为Navier—stokes方程。引入雷诺假设，可得其时均运动的控制方程为：2∂∂uu1∂∂p∂uiii+=ujig−+−ν()uuij∂∂txρ∂∂xx∂∂xxjijji∂ui=0∂xi纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokesequations）2、紊流模型紊流运动是一种非常复杂的随机运动，由于对其分布函数还缺乏认

7、识，目前要想对其进行精确描述不大可能。目前用得较多的有雷诺应力模式(RSM)、代数应力模式(ASM)、K-ε两方程模式和紊流半经验理论。此外，在紊流的育接数值模拟(DNS)和大涡模拟(LES)方面人们也做了不少工作。紊流的数值模拟方法Reynolds时均直接模拟大涡模拟方程模拟（1）直接模拟用三维非稳态的Navier-Strokes方程对紊流进行直接数值计算。要对高度复杂的紊流运动进行直接数值计算，必须采用很小的时间与空间步长，才能分辨出湍流中详细的空间结构及变化剧烈的时间特性。因此，湍流的直接模拟对计算机的内存空