粗糙床面振蕩流邊界層的三維格子玻耳茲曼模擬研究.pdf

1、在河口海岸地區(qū)，粗糙床面振蕩流邊界層與泥沙運動、床面阻力特征以及波能衰減等密切相關，深入理解粗糙床面振蕩流邊界層的運動規(guī)律具有十分重要的理論與工程意義。本文采用三維格子玻耳茲曼方法對粗糙床面振蕩流邊界層進行了全尺度直接數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究了邊界層紊動特性、床面顆粒受力以及床面阻力特征。本文的具體研究內(nèi)容和結論如下：
　　 (1)將三維格子玻耳茲曼模型應用于光滑床面水動力特性、光滑床面單顆粒受力情況以及粗糙床面流動特性等振蕩流邊界層

2、相關問題的驗證計算，與已有實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值計算結果進行了比較，結果表明格子玻耳茲曼方法從介觀尺度研究振蕩流邊界層水動力特性和顆粒受力是十分有效的。
　　 (2)粗糙床面振蕩流邊界層的格子玻耳茲曼模擬結果表明，床面紊動隨著振幅雷諾數(shù)Rea和參數(shù)d/δ(粒徑與邊界層厚度的比值)的增大而增強，橫向流動隨之得到加強，壓強的分布也逐漸變得不對稱，橫向力效應逐漸顯現(xiàn)。根據(jù)量綱分析確定Rea、d/δ為力系數(shù)的主要影響因素，分析了床面上顆粒受力系

3、數(shù)的變化規(guī)律，并在其基礎上引入孔隙率參數(shù)表征床面顆粒布置形式的影響，擬合得到了max和max的表達式。
　　 (3)利用粗糙床面振蕩流邊界層格子玻耳茲曼模擬結果，采用對數(shù)律適線法并基于擬合殘差平方和最小原理可以獲得較好的理論床面位置、等效粗糙高度以及摩阻流速的結果。
　　 (4)對于由一層布置成四邊形構型或六邊形構型的球體顆粒形成的固定平整粗糙床面，其理論床面位于顆粒頂部以下0.19～0.25倍粒徑之間，

4、而無量綱等效粗糙高度ks/d則主要集中在2.8附近，與傳統(tǒng)推薦值2.5比較接近。
　　 (5)通過對數(shù)律適線法獲得的定床無量綱底面摩阻流速在正、反向流動中均呈現(xiàn)出正弦變化趨勢，其最大值出現(xiàn)的相位超前于邊界層外部流速最大值的相位，在本文計算的相對粗糙度a/ks=0.47～6.58范圍內(nèi)，其相位差在10°～30°之間變化。當a/ks值較小時，摩阻系數(shù)fn.并未出現(xiàn)傳統(tǒng)觀點認為的趨近常數(shù)的趨勢，而是隨著a/ks的減小而逐漸增大，呈指數(shù)