一种获得槽道入口完全发展流动边界条件的方法

摘要

本发明属于计算力学技术领域，涉及一种获得槽道入口完全发展流动边界条件的方法。该方法包括：首先，在原槽道入口前附加一段平面槽道，得到修正的槽道；其次，基于所设置监测点，判断附加平面槽道的长度是否满足原槽道入口边界获得完全发展流动速度分布的要求，若不满足进行调整；判断修正的槽道入口边界湍流量是否满足原槽道入口边界获得完全发展流动湍动能分布的要求，若不满足则进行调整；若满足，则完成了一种获得槽道入口完全发展流动边界条件的方法。本发明所提方法可有效地减小采集实验数据点并做曲线拟合带来的误差，简化了获得完全发展分布的操作过程，能快速有效地在槽道入口获得完全发展流动入口边界条件。

说明书

技术领域

本发明属于计算力学技术领域，涉及一种获得槽道入口完全发展流动边界条件的方法。

背景技术

U型槽道流(U-bendflow)是一种具有强流线曲率特性的流动，且在管道内壁会发生大量边界层分离和再附现象。这些流动特征对于数值计算具有很大的挑战，因此U型槽道流成为验证数值方法的经典算例。

1989年Monson和Seegmiller对U型槽道流进行了实验研究和数值计算。数值计算中，入口处流动均假定为完全发展流动，并将实验测得的弯道上游某处的速度分布和湍动能分布作为入口边界条件。随后Shur和Strelets等人提出通过对平面槽道流进行计算，获得完全发展流动的速度分布和湍动能分布，然后再将这些分布作为U型槽道流计算域的入口边界条件。然而Monson和Seegmiller或者Shur和Strelets提出的获得计算域入口边界的速度分布和湍动能分布的方法均存在着一些问题：

(1)Monson和Seegmiller提出的方法需要对实验数据进行最小二次拟合，但此方法需要获取多个数据点，实现过程较为复杂，且拟合得到的曲线与真实速度分布和湍动能分布存在误差；

(2)Shur和Strelets提出的方法需要计算平面槽道流算例，然后提取速度分布和湍动能分布，并将这些分布指定给U型槽道流入口边界，即：需要提取数据以及给U型槽道入口边界赋值，实现过程复杂度较高，导致计算平面槽道流及后续数据处理带来附加工作量。

本发明思路与(2)方法类似，通过直接在U型槽道流入口前附加一段平面槽道的方法来获得入口截面所需要的完全发展流动速度分布和湍动能分布。与(2)方法相比，简化了获得完全发展流动分布的操作过程；与(1)方法相比，解决了曲线拟合引起的不必要的误差。

发明内容

本发明的目的是为了降低获得完全发展流动分布的操作复杂度以及减小误差，提出了一种获得槽道入口完全发展流动边界条件的方法。

一种获得槽道入口完全发展流动边界条件的方法，具体实现步骤如下：

步骤1、在原槽道入口前附加一段平面槽道，得到修正的槽道；

其中，优选的原槽道为U型槽道；

优选的附加的平面槽道长度范围为原槽道宽度的10倍到15倍；

步骤2、在修正的槽道入口给定槽道平均速度、湍流量等入口边界条件，并在原槽道入口截面上设置监测点；

步骤3、判断原槽道入口截面上的速度分布是否满足完全发展流动速度分布，并根据满足与否的情况进行如下相应操作：

3.1若不满足，则原槽道入口截面未获得所需的完全发展流动速度分布，跳至步骤1，继续调整平面槽道的长度；

3.2若满足，则原槽道入口截面获得所需的完全发展流动速度分布，跳至步骤4；

步骤4、经步骤3后，即原槽道入口截面上的速度分布满足完全发展流动速度分布，再调整修正的槽道入口边界的湍动能、湍动能耗散率等湍流量；

步骤5、判断原槽道入口截面上的湍动能分布是否满足完全发展流动速度分布，并根据满足与否的情况进行如下相应操作：

5.1若不满足，则跳至步骤4，继续调整修正的槽道入口边界的湍动能、湍动能耗散率等湍流量；

5.2若满足，则原槽道入口截面获得所需的完全发展流动湍动能分布；

经步骤5后，即原槽道入口截面上的湍动能分布已满足完全发展流动速度分布，自此，从步骤1到步骤5.2实现了一种获得槽道入口完全发展流动边界条件的方法。

有益效果

本发明一种获得槽道入口完全发展流动边界条件的方法，对比已有技术具有如下优点：

(1)可有效地减小采集实验数据点并做曲线拟合带来的误差；

(2)简化了获得完全发展分布的操作过程，可有效地避免计算平面槽道流后提取速度分布和湍动能分布，并将这些分布指定给U型槽道流入口边界等额外的复杂工作。

附图说明

图1是本发明一种获得槽道入口完全发展流动边界条件的方法流程图；

图2为与本发明所提方法进行对比的传统原U型槽道几何外形ABCD；

图3为本发明及实施例中修正的U型槽道几何外形ABCDEF；

图4为采用修正的U型槽道几何外形进行数值计算后得到的原U型槽道入口截面的完全发展流动速度分布和湍动能分布与实验结果的对比；

其中，“实验”为原U型槽道进行数值计算后得到的截面CD处的速度分布和湍动能分布；“本发明”为本发明及实施例中修正的U型槽道几何外形进行数值计算后得到的截面CD处的完全发展流动速度分布和湍动能分布；

图5为采用修正的U型槽道几何外形计算得到槽道内壁和外壁的摩擦系数和压力系数的分布曲线、“Shur和Strelets及Monson和Seegmiller所提方法”以及对原U型槽道进行实验三者的结果对比；

其中，“实验”为原U型槽道ABCD内壁和外壁上的摩擦系数和压力系数分布；“本发明”为本发明及实施例中一种获得槽道入口完全发展流动边界条件的方法采用修正的U型槽道几何外形进行数值计算后得到的摩擦系数和压力系数分布；“Shur和Strelets”为Shur和Strelets及Monson和Seegmiller所提出的方法计算得到的结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

实施例1

如图1给出了本发明一种获得槽道入口完全发展流动边界条件的方法流程图；图2给出了本实施例中原U型槽道几何外形ABCD；图3为本实施例中修正的U型槽道几何外形ABCDEF。

本实施例一种获得槽道入口完全发展流动边界条件的方法，具体包含如下步骤：

步骤1、在原U型槽道ABCD入口CD前附加一段长度为15倍槽道宽度的平面槽道CDEF，得到修正的U型槽道ABFE，如图3所示；

步骤2、在修正的U型槽道ABFE入口EF给定槽道平均速度、湍流量等入口边界条件，并在原U型槽道ABCD入口截面CD上设置150个监测点；

步骤3、判断原U型槽道ABCD入口截面CD上的速度分布是否满足完全发展流动速度分布，并根据满足与否的情况进行如下相应操作：

3.1若不满足，则原U型槽道ABCD入口截面CD未获得所需的完全发展流动速度分布，跳至步骤1，继续调整平面槽道CDEF的长度；

3.2若满足，则原U型槽道ABCD入口截面CD获得所需的完全发展流动速度分布，如图4(a)所示，跳至步骤4；

步骤4、调整修正的U型槽道ABFE入口边界EF的湍动能、湍动能耗散率等湍流量；

步骤5、判断原U型槽道ABCD入口截面CD上的湍动能分布是否满足完全发展流动速度分布，并根据满足与否的情况进行如下相应操作：

5.1若不满足，则跳至步骤4，继续调整修正的U型槽道ABFE入口边界EF的湍动能、湍动能耗散率等湍流量；

5.2若满足，则原U型槽道ABCD入口截面CD获得所需的完全发展流动湍动能分布，如图4(b)所示；

自此，从步骤1到步骤5.2最终确定在截面CD得到完全发展流动速度和湍动能分布所需要附加的平面槽道CDEF的长度及在入口边界EF上所需给定的湍流量，实现了一种获得槽道入口完全发展流动边界条件的方法。

图4为采用修正的U型槽道几何外形进行数值计算后得到的原U型槽道入口截面的完全发展流动速度分布和湍动能分布与实验结果的对比；通过数值计算，分别得到原U型槽道ABCD内壁和外壁上的摩擦系数和压力系数分布，以及Shur和Strelets及Monson和Seegmiller所提出的方法计算得到的结果。

图5为采用修正的U型槽道几何外形计算得到槽道内壁和外壁的摩擦系数和压力系数的分布曲线、“Shur和Strelets及Monson和Seegmiller所提方法”以及对原U型槽道进行实验三者的结果对比。

从图5中可以看出本发明的方法有效地得到了U型槽道入口边界所需要的完全发展流动速度分布和湍动能分布，进而计算得到的U型槽道内壁与外壁的摩擦系数和压力系数分布与Shur和Strelets等人所采用的方法得到的结果符合得非常好，且与实验结果符合得较好，而Monson和Seegmiller等人所采用的方法计算的槽道尾段的外壁摩擦系数较实验结果偏高19.5％。

实施例2

本实施例对本发明一种获得槽道入口完全发展流动边界条件的方法中的槽道类型进行扩展，除了U型槽道外，也可以是V型槽道、C型槽道以及M型槽道。

以上所述的实施例为本发明一种获得槽道入口完全发展流动边界条件的方法的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。