U形弯道水流实验及其数值模拟探究
直角弯管流道流场的数值模拟与分析许同乐
终得到的数值解应该满足网格无关性要求 。本文将 流动区域网格划分为 456 个单元 , 575 个总体节点 , 如图2 所示。
图 1 直角弯管管道的结构简图
图 2 流动区 域剖分
给定进口速度 v =8 m/ s , 出口压力 p =10.02 MPa , 运动粘度取 ν=30 ×10-6 m2/ s , 进口直径 d =12 mm , 则雷诺数为
分析图 3 和图 4 可以看出 , 由于流线是 1 条瞬 时光滑曲线 , 它不能转折 , 也不能相交 , 所以在流 道的直角拐弯处就形成涡旋 , 并且由于流体流动存 在惯性 , 在铅直方向的流道上还存在流动的分离和 附壁现象 , 从而产生流动的能量损失和流体噪声 。 根据可视化结果 , 可以分析确 定在某一结构 尺寸 下 , 流体流动时所产生涡旋的大小和位置 , 可据此 选择合适的管道长 度 , 减少涡 旋对流体流动 的影 响。从图 5 可以看出压力分布情况 , 入口压力较 大 ;由于存在局部阻力损失和沿程阻力损失 , 出口 压力减小 。
1 引言
在液压系统中存在着各种流道 , 简单的流道如 长直管 , 复杂的流道如分岔管 、 直角弯管 、 节流流 道 、 突扩管等 。 当流体在这些管道内流动时 , 会产 生 2 种能量损失 :一种是由于流体的粘性和管道粗 糙而引起的沿程能 量损失 , 另 一种是由于局 部障 碍 , 如分岔管分岔处 、 直角弯管的弯头 、 阀门等处 产生的局部能量损失 。由于流线本身所具有的特殊 性质 , 使得流体在流经这些局部障碍处时 , 会产生 流动的分离和再附现象 。 流动的分离会引起涡旋 , 从而引起压力降和能量损失 。
与雷诺数之间的关系 。
参 考 文 献 1 傅德薰 , 马延文 .计算流体力学 .北京 :高等教 育出版
受植被影响的弯曲渠道水流平面二维湍流数值模拟
水利学报
第 卷第期
受植被影响的弯曲渠道水流平面二维湍流数值模拟
张明亮 沈永明 朱兰燕
大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室 辽宁 大连 香港理工大学 土木与结构工程系 香港
摘要 针对受植被影响的渠道水流流动特征 建立了有植被作用下的曲线坐标平面二维 双方程湍流数学模型
模型采用两种方法处理植被对水流的影响 拖曳力法和等效阻力系数法 并通过对实验室局部带有刚性植被的弯
表 植物排列形式
图 实验水槽平面
工况
无植物 内岸 外岸
内岸和外岸
植物排列
至 至
至 至
图 实验水槽植物排列位置
图 图 分别给出了工况
各个测量断面的速度对比 计算中使用了拖曳力方法及等
效阻力系数法两种方法处理植被拖曳力对水流的影响 并将两种方法的计算结果和实测值及无植被的
计算速度进行分析比较 由图 图 可以看出 种植植物后 由于植物对水流的影响 使得植被区域
方程
连续 动量 动量
紊流动能
紊流动能耗散率
式中
?
?
和 分别为笛卡儿坐标下 和 方向的深度平均流速
分量 和 分别为深度平均的紊动动能和紊动动能耗散率 为水位 为河床高程 为分子运动黏
性系数 为漩涡运动黏性系数 为有效黏性系数
为植物对水流的拖曳力 为深度平均摩
阻流速 为湍流动能产生项 为重力加速度
为深度平均的湍流动能产生 耗散项
中图分类号
文献标识码
研究背景
自然界的明渠中常常生长有植物 此类涉及植被特性等因素的明渠被称为环境明渠 一方面沿河
及滩地上的植被有着很大的危害 植被生长后 增加了水流阻力 增大糙率 减小流速 缩窄河槽过水断
导流弯管数值模拟分析
在化工行业 中经常会用弯管来 改变流 体 的流 动方 向 ，从而 完成 流体的输送 。当流体 以一定 的流速流 经管道 拐弯处 ，受到
管道 弯曲的限制就会改变流动方 向 ，在弯管 的壁面 附近形 成分 离 区 ，在管道横截面上产生二次 流动 ，这样 的二次 流不仅 会造 成 流体能量的损失 ，而且形成 的局部 阻碍 区域 也使 流动系 统 的 阻力增大 。流体流经弯管时 ，弯管 的内侧速度 大压力 低 ，外
摘 要 ：以商用软件 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ为平台，对带双导流片及折流片的弯管内流体流动进行数值模拟计算 ，分析弯管内流体的速
度云 图及 出口截 面直径方 向上的速度变化 ，据此判断导流措施 对弯管 流体流 动特性 的改善效果 ，计算 结果 表明 ：双导流 片能较好 的调节弯管 内的流速 ，使弯管 内及其 出 口流体流速均处 于一较 均衡 的状态 。
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ：Ｂｙ ｎ ｕｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｌｕ ｆ ｉ ｄ ｌｏ ｆ ｗ ｔ ｕ ｂｅ ｗｉ ｔ ｈ ｄ ｏ ｕ ｂ ｌ ｅ ｄ ｅ ｌ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ａ ｎ ｄ ｂ ａ ｆ ｌｅ ｆ ｓ ｉ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ，ｔ ｈ ｅ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｇ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｎ ｔ ｈｅ ｆ ｌ ｏ ｗ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｌｕ ｆ ｉ ｄ ｄ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｓ ｏ ｆ ｅ ｌ ｂｏ ｗ ｗａ ｓ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ，ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｄ ｅ ｐｅ ｎ ｄ ｅ ｄ ｏ ｎ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｉ ｎ ｇ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ｃ ｏ ｎ ｔ ｏ ｕ ｒ ａ ｎｄ ｏ ｕ ｔ ｌ ｅ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｐ ｉ ｐ ｅ ｄ ｉ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｌ ｆ ｕｉ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄｓ：ｅ ｌ ｂ ｏ ｗ；ｉ ｎ ｄ ｕｃ ｔ ｉ ｏ ｎ；ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ；ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
弯道水力学研究现状与进展
， ， 为垂线平均流速 ， 为某点距 曲率中心半径， Ｃ
实践检验表明 ，罗索夫斯基公式在粗糙床面情况下 ，横 比降略偏小 ；而张红武公式无论床面粗糙或光滑 ，
横比降计算值与实测值的偏差均较小． 王平义 认为弯道中凹岸区水流结构较 凸岸区水流结构更复杂 ，故凹岸区和 凸岸区的流速分布不ｆ ，从而 — Ｊ
曲线运动 的弯道水流 ，在重力及离心力的共同作用下 ，将产生特有的运动特性 ，主要表现在水面横 比降 、
横 向环流、流速重分布等现象． 下面对以上几个各方面国内外的研究成果分别进行介绍． （ １ ）水面横比降 当水流由直段进人弯段后 ，由于惯性离心力的作用而使弯道的径向自由水面从 凸岸向凹岸逐渐升高 ，形成 具有一定倾斜角度的横比降 ． 由实验可知 ，最大横比降出现在紧靠弯顶断面的附近． 随着流程的增加 ， 比 横 降逐渐减小 ，直至：道 出Ｅ断面 ，出Ｅ横断面比降 仍有一定数值 ，但在出Ｅ处 却很小 ，出弯段后迅速消 弯 ｌ ｌ ｌ
１ 弯道缓流的理论
水流中存在着层流和紊流两种流动状态． 严格地说 ，自然界的水流都是紊流 ，在多数工程问题 中，流体 的 流动往往处于紊流状态 ，紊动特性在工程中占有重要地位． 紊流的基本特征是许许多多大小不等 的涡体相互掺
混着前进 ， 它们的位置 、形态和流速时刻不断的变化着． 明渠弯道 中的紊流问题 ， 早已引起学者们的注意．８６ １７ 年Ｊ ・ 汤姆逊【 Ｊ １ 首先通过实验的方法发现了弯道横向环流现象， 并给 出了正确的物理解释 ． 在此之前 ， ・ Ｔ布辛涅斯
形成不ｌ 的水面横 比降，因此 ，应分别导出弯道 凹岸区和凸岸区的水面横比降公式． 二 Ｊ
刘焕芳 从弯道水面横比降沿程变化规律的半经验公式入手 ，提 出了弯道水面超高沿程分布 ，弯道水面纵
弯道水流实验
实验一弯道水流实验1. 实验目的要求弯道是平原河流中最常见的局部河段。
弯曲性河流就是由一个个反向河湾与直段连接而成，分汊河流的个别汊道也常常发展为弯道，甚至顺直型河流在枯水季节的河槽也具有弯曲的形状，弯道水流的特征与相应的泥沙运动、河床演变等密切相关。
（1）观察弯道上的水流情况，增加对弯道环流的认识；（2）了解弯道水流的纵、横向流速分布规律（3）弯道水面纵、横向比降及凹岸水面超高值的沿程变化规律2. 实验仪器设备（1）180度道水槽（2）流速仪，带刻度可测流向的活动测针架，水位测针，钢卷尺。
（3）模型沙、高锰酸钾，木屑等示综剂。
3.实验准备（1）启动供水系统，调节进水流量及弯道水槽尾门水位，使实验段水流平稳，水深控制在15—20cm之间；（2）布置测量断面及测点位置：在弯道内布设0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°等七个测量断面，在弯道槽上、下游直段上分别布设一个测量断面。
（3）放好测架，安装好流速仪及水位测针。
4. 实验步骤（1）在各个测量断面上两侧（测点距槽壁各5cm）和中轴线上用活动测针测量水面高程。
（2）使用流速仪以三点法测量弯道0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°等七个测量断面的流速与流向。
测量垂线的布置与测量水面高程时相同。
（3）在水面施放木屑及高锰酸钾等示踪剂、床面施放模型沙，观察弯道水流水面、水流内部水质点运动轨迹以及弯道床面推移质泥沙的运动情况。
5. 实验注意事项（1）弯道水流是典型的三维水流，实验室应注意观察水流及示踪剂、模型沙的运动情况。
（2）测弯道不同断面流速时要及时调整，保持流速仪测桨轴向与测点水流流向一致。
（3）若采用沿流程安装的固定水位测针测量水面高程时，应先按统一的基准面确定各测针零点高程。
弯道河段水流流态试验研究
进行无量纲化’５ｊ。
回地下水库
图１模型平面总体布置（单位：ｍ）
收稿日期：２００８一０５—２８ 作者简介：刘健，女，沈阳农业大学水利学院，硕士研究生。
万方数据
８２
人 民 长江
２００８年
区，水位达到最高后，受惯性作用的影响，又有降低趋势，这时水
２０￡
道水面呈现扭曲的水面形态，从而导致了弯道水流结构的调整
１：Ｓ
和流速的重新分布。弯道水位等值线见图６。
图２流速空间网格布置（单位：ｍｍ）
Ｌ！！，ｌ 图３流速平面网格布置（单位：ｍｍ）
盯
［工二［工工］ Ｚ；２ｌｃ“
Ｚ＝１６ｃｏ
卜＋—卜＋＋＿｜ ｛，＿１ｌｃ”
２｜｜６ｃ… Ｚ＝ｌｃｍ
广Ｔ—广Ｔ Ｔ］
万方数据
２．２河段横向环流分布 横向环流是在弯道处形成特殊水流现象的决定因素，弯道
水流是三维水流，水流在垂直方向存在径向压力梯度，但是表层 水流和底层水流的向心加速度是不同的。通常表层水流的向心 加速度大于底层水流的向心加速度，因为表层水流的速度大于 底层水流的速度，这样，表层水流趋向于向外运动，而底层水流 则向内运动，靠近河岸处将形成平衡性垂向流速分量，该流速分 量的方向在凸岸向上，在凹岸向下，从而形成了对河床断面产生 很大影响的环流，也就是所谓的弯道螺旋流。
从图９中可以看出，在弯道进口附近，纵向紊动强度较大， 尤其是在弯道进口靠近凸岸处，是紊动强度紊动的核心区，紊动 强度有最大值；同样在弯道出口处，靠近凸岸处同样存在一个纵 向紊动的核心区域，该区域的紊动强度虽为负值，但其绝对值比 附近区域的值要大。
图７河段平面流线分布
弯道取水口表层水流速度场数值模拟
GU Pan， MOU Xian － you， ZHANG Wan － feng， ZHENG Yong － peng
（ College of Water Conservancy and Civil Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China）
通过速度云 图 可 以 直 观 看 出，引 水 渠 内 流 速 较 大，无需担心泥沙淤积问题，但在取水口处流速相对 较低，并且流场状态复杂，应特别注意泥沙淤积。同 时，引水渠与主河道相交处（ 图 3 中方框所示） ，流速 变化剧烈，不 利 于 工 程 维 护，应 适 当 进 行 优 化，尽 量 使边线过渡平缓。
参 考 文 献：
［1］ 周素真，马有国，田治宗等． 弯道环流及其在取水防沙 中的应用〔J〕． 农田水利与小水电，1993（ 2） ： 34 － 38．
［2］ 王庆，郭德发． 新疆人工弯道式引水枢纽的设计与运 行〔J〕． 人民长江，2004，35（ 1） ： 74 － 77．
［3］ 张黎，张鹤． 分流对弯道水流水力特性影响的试验研 究〔J〕． 吉林水利，2009（ 6） ： 53 － 56．
Abstract： According to the physical model，3D ultrasonic current － meter is utilized in this paper to measure three － dimensional flow structure directly under different conditions near water intake． Numerical simulation of the two dimension flow has been simulated by using standard turbulent model． Comprehesive analysis，the velocity at the water intake change rapidly． The velocity at the downsteam of water intake significantly reduced． Key words： artificial bend； water intake； numerical simulation
连续两弯水流特性的数值模拟研究_胡旭跃
第２７卷 第３期
交 通 科 学 与 工 程
Ｖｏｌ．２７ Ｎｏ．３
２ ０ １ １年 ９月
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＲＡＮＳＰＯＲＴ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｓｅｐ． ２０１１
项 目 （０９Ａ００４） 作 者 简 介 ：胡 旭 跃 （１９６２－ ），男 ，长 沙 理 工 大 学 教 授 ，博 士 生 导 师 ．
第３期
胡 旭 跃 ，等 ：连 续 两 弯 水 流 特 性 的 数 值 模 拟 研 究
５５
旋流以来［１］，根 据 不 同 的 研 究 目 的，国 内、外 学 者 对弯曲河道 水 流 特 性 做 了 大 量 的 研 究 工 作，并 取 得 了 丰 硕 的 研 究 成 果 ［２－７］．连 续 两 弯 为 弯 曲 河 流 的 一种特殊情况，水流受 连 续 的 反 向 曲 线 边 界 制 约， 加上重力和 离 心 力 的 共 同 作 用，其 中 的 水 流 特 性 较单弯情况 更 加 复 杂．以 往 的 研 究 工 作 主 要 是 从 河床演变规 律 角 度 出 发，结 合 实 际 航 道 整 治 工 程 经验，分析连续弯道水 流 泥 沙 的 运 动 情 况 ．对 ［８－１０］ 连续两 弯 的 水 流 运 动 特 征 和 机 理 的 研 究 还 比 较 欠缺．
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｅｎｄ ｆｌｏｗ
ＨＵ Ｘｕ－ｙｕｅ１，２，ＺＨＡＮＧ Ｑｉｎｇ－ｓｏｎｇ１，３
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０００４， Ｃｈｉｎａ；２．Ｈｕｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ，Ｓｅｄｉｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｆｌｏｏｄ Ｈａｚａｒｄ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ，
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U形弯道水流实验及其数值模拟探究
摘要:在现阶段的发展中，我国对道路的研究进入到了一个新的阶段，原本很多不被重视的道路得到了充分的重视，尤其是U形弯道。
对于U形弯道而言，水流对其具有很大的影响，我们需要对U 形弯道水流进行一定的实验，将实验的结果进行系统的分析，这样就可以在道路建设的过程中，有效的避免一些问题的发生，同时可以让U形弯道更好的为广大的居民服务，成为社会发展的动力。
对于U 形弯道而言，水流实验是最有效果的。
关键词：弯道水流数值
1 试验概况及数值模拟方法
对于U形弯道水流实验及其数值模拟探究来说，需要采取一定的方式方法，才能得到理想的结果，在U形弯道水流试验方面，主要情况如下：U形平底弯道水槽由有机玻璃制作,宽0.30m,深0.50m,试验段由2个1.50m的顺直段和1个内径为0.50m、外径为0.80m的半圆组成,总共布置试验测试断面14个,每个断面按等宽布置5条测速垂线,间距为5cm,沿水深方向每隔1cm测试一点,供水系统为自循环系统,具体见图1所示。
而在数值模拟探究方法中，以应用软件Fluent6.3为基础,采用雷诺应力(RSM)模型模拟流场,通过VOF方法模拟水流自由面对U形(180°)弯道水流特性进行了分析。
我们可以较为清晰的看到，对于U形弯道水流实验及其数值模
拟探究来说，每一个环节都要精确化的进行，每一段所采用的方法都有所不同，这样才能在试验的过程中，发现问题的所在，从而制定出有效的解决办法，对于数值模拟探究而言，必须将所有的数值有效的进行统计，之后进行一个系统的分析，结合实际的情况，才能得到最真实的结果。
2 试验测试与数值模拟结果及分析
2.1 水面横比降分析
在U形弯道水流实验及其数值模拟探究工作中，水面横比降分析是一个非常重要的环节，前面的工作有很大一部分都是为水面横比降分析所准备的。
从客观的角度来说，水面横比降分析能够将U形弯道水流实验及其数值模拟的每一个环节都分析的较为清楚，而且不会出现遗漏的情况。
在近几年的发展中，我国的科研人员对水面横比降分析工作进行一定的深化和加强，使得现有的水面横比降分析更加的精确。
2.2 U—V矢量沿水深变化
在U形弯道水流实验及其数值模拟探究工作中，科研人员经过一定的努力，终于获得了较大的突破。
众多的科研人员发现，U—V 矢量会沿着水深的变化而变化，这就在客观上解决了很多的实际问题。
对于U形弯道而言，表面上看只是一个弯度较大的道路，但在实际的应用中，必须对U形弯道进行系统的研究，之后结合不同的
因素，将每一个环节考虑清楚才能修建，而U—V矢量是一个重要的环节。
在之前的发展中，我们并不了解U—V矢量是如何变化的，这就为实际的工作带来了很大的困难，当发现UV矢量是沿着水深的变化而变化时，修建U形弯道就会更加的顺畅。
科研人员最后得出的结论为：在距离床面较近的水平面,水流在流经弯道时主流向偏向凸岸;在距离床面一定距离后主流向则近似与边界平行;在近水面的平面内,主流向偏向凹岸,这样在弯道区域内,水流运动为螺旋流运动。
2.3 横向环流沿程变化
从现有的一些成果来看，我国已经在U形弯道水流实验及其数值模拟探究工作中，作出了一定的成绩，而且对U形弯道产生了较大的积极影响。
但社会发展的脚步并没有停下，因此对U形弯道水流实验及其数值模拟探究工作也要继续向前。
科研人员在进行U形弯道水流实验及其数值模拟探究工作的过程中，将目光投向了横向环流沿程的变化。
对于这个环节而言，对整体的U形弯道水流实验及其数值模拟探究具有较大的积极影响。
横向环流沿程变化涉及到U 形弯道的较多方面，需要进行系统的分析才行。
3 U形弯道水流实验及其数值模拟探究
经过大量反复的研究之后，科研人员在U形弯道水流实验及其数值模拟探究方面，取得了较大的成果，并且对U形弯道的修建产生了较大的积极影响。
从客观的角度来说，有些因素是不断变化的，
比方说水流。
而有些因素基本上不会出现太大的变化，比方说修建U 形弯道的地点。
本文认为，在修建U形弯道的过程中，结合使用声速多普勒流速仪(ADV)上视及下视探头,能较完整地测量弯道三维水流的变化过程。
这样对整体的U形弯道水流实验及其数值模拟探究工作，将会起到较大的积极影响。
另一方面，必须有效的结合地域特点，这样才能得到一个较为理想的结果。
U形弯道不同与一般的道路，需要考虑的因素较多，必须在技术和设备上都达到一个较为先进的水平。
4 结语
本文对U形弯道水流实验及其数值模拟进行了一定的探究，无论从主观方面出发，还是客观方面，都需要将U形弯道水流实验及其数值模拟做到一个较为高端的水平，这样才能将理想的成果有效的应用到实际的工作中。
相信在将来的发展中，我国会在U形弯道水流实验及其数值模拟中有一个更大的建树。
参考文献
[1]林小平,凌建明,苏华才,等.弯道水流的数值模拟及沿河路基冲刷机理分析[J].同济大学学报:自然科学版,2007(11).。