粗糙床面振荡流边界层的三维格子玻耳兹曼模拟的研究 (NXPowerLite).pdf

中文摘要 在河口海岸地区，粗糙床面振荡流边界层与泥沙运动、床面阻力特征以及波 能衰减等密切相关，深入理解粗糙床面振荡流边界层的运动规律具有十分重要的 理论与工程意义。本文采用三维格子玻耳兹曼方法对粗糙床面振荡流边界层进行 了全尺度直接数值模拟，系统研究了边界层紊动特性、床面颗粒受力以及床面阻 力特征。本文的具体研究内容和结论如下： (1)将三维格子玻耳兹曼模型应用于光滑床面水动力特性、光滑床面单颗 粒受力情况以及粗糙床面流动特性等振荡流边界层相关问题的验证计算，与已有 实验数据和数值计算结果进行了比较，结果表明格子玻耳兹曼方法从介观尺度研 究振荡流边界层水动力特性和颗粒受力是十分有效的。 (2)粗糙床面振荡流边界层的格子玻耳兹曼模拟结果表明，床面紊动随着 振幅雷诺数R巳和参数d／6(粒径与边界层厚度的比值)的增大而增强，横向流动 随之得到加强，压强的分布也逐渐变得不对称，横向力效应逐渐显现。根据量纲 分析确定R乞、d／6为力系数的主要影响因素，分析了床面上颗粒受力系数的变 化规律，并在其基础上引入孔隙率参数表征床面颗粒布置形式的影响，拟合得到 了cD邮和Q眦的表达式。 (3)利用粗糙床面振荡流边界层格子玻耳兹曼模拟结果，采用对数律适线 法并基于拟合残差平方和最小原理可以获得较好的理论床面位置、等效粗糙高度 以及摩阻流速的结果。 (4)对于由一层布置成四边形构型或六边形构型的球体颗粒形成的固定平 整粗糙床面，其理论床面位于颗粒顶部以下0．19～O．25倍粒径之间，而无量纲等 效粗糙高度七。／d则主要集中在2．8附近，与传统推荐值2．5比较接近。 (5)通过对数律适线法获得的定床无量纲底面摩阻流速在正、反向流动中 均呈现出正弦变化趋势，其最大值出现的相位超前于边界层外部流速最大值的相 位，在本文计算的相对粗糙度口／赶=0．47～6．58范围内，其相位差在10。一30。之 间变化。当口／七。值较小时，摩阻系数疋．并未出现传统观点认为的趋近常数的趋 势，而是随着口／J|}。的减小而逐渐增大，呈指数型变化。 关键词： 格子玻耳兹曼方法粗糙床面振荡流边界层流体作用力等效粗糙 高度摩阻系数流体一颗粒相互作用 ． ABSTRACT IIlco嬲tal弛destIla血e 0ver h舔a are岛t11e oscillato巧bo肋da珂layerrou曲beds close witllsedimem relationship risistance，waVe饥e玛ydissipation transponnow 锄ds0衄．The ofmis is for也eoretical deepllndcrst趾dingsubjectve巧import趾t research锄d rcS0lved也ree-dim∞sionallattice cngillee血g．Afhlly Bol锄a皿(LB) is model num舒calsimulationof ovcr deVeloped锄d血优t oscillatoUbollIlda巧layer iscarriodout．Thrbulence forc懿onthe rou曲beds characteristics，hydrodynamic flowresista】∞eare mainre叭ltsare鲫mmar娩ed嬲