循环水槽中分层流模拟试验与CFD研究
泰勒柱实验
物理海洋实验讲义海洋环境学院2008年3月目录物理海洋实验的概述物理海洋实验的基本设备实验1 风浪水槽平均风速测量实验2 水槽风浪波面位移的测量和分析实验3 海-气边界层的测量和分析实验4 水下压力波动的测量与分析实验5 科氏力实验实验6 泰勒柱实验实验7 Rossby波的实验模拟物理海洋实验的概述一．引言众所周知，物理海洋学是流体力学的一个重要分支，是研究海洋流体和地球流体动力过程的一门学科。
物理海洋学本身又是以应用和实践为主的学科，其研究方法可分为理论研究、数值模拟、实验研究和海洋调查。
各者互为补充，又不可代替。
其中实验研究是物理海洋学的不可忽略的重要组成部分。
它的研究范围遍及物理海洋学的各个领域，对物理海洋学地发展起着关键性的作用。
二．物理海洋实验和海洋调查从广义上讲，现场海洋调查也属于实验研究的范畴，所不同是，海洋调查直接探测的对象是真实的海洋，而实验研究大多在实验室模拟环境下进行。
海洋现场调查是研究海洋的重要方法，是直接获取海洋资料的主要途径。
但是海洋调查有局限性：1）属于被动观测，无法控制环境条件，无法重复现象和过程。
2）对于有些非静态的变化过程或者大尺度现象，仅靠有限的海上单点时间序列的现场观测是无法全面了解的。
3）近代海洋卫星遥感技术虽然可以大范围观测海洋，但是对于海洋内部的过程仍然无法直接观测到。
4）海上条件复杂和恶劣，且观测费用昂贵，不易采用系统的和精密的、重复的观测手段。
相比之下，实验室物理模拟研究的优点是：1）可以控制实验条件，如背景风和背景流。
2）可以重复再现海洋现象和过程；3）可以运用各种先进技术手段，精细的、全面的观测；4）可以观察到现象的内部规律，比如内波、毛细波、Rossby波、海洋湍流、贴水面边界层、水下水质点运动等等。
三．物理海洋实验研究的主要任务1．研究海洋运动中的新现象和相应的基本规律，探索相应的基本规律在物理海洋学研究的许多分支中心的发现和重大研究成果不断涌现。
《2024年水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》范文
《水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》篇一一、引言随着能源、化工等领域的不断发展，水平管内气液两相流的研究变得日益重要。
在许多工业过程中，如石油开采、管道输送、冷却系统等，都需要对气液两相流进行深入的研究。
气液两相流的流型对管道的输送效率、安全性能以及系统设计都有重要的影响。
因此，本文对水平管内气液两相流的流型进行了数值模拟与实验研究，以期为相关领域的实际应用提供理论依据和参考。
二、流型分类与数值模拟方法水平管内气液两相流的流型主要分为泡状流、弹状流、泡状-弹状混合流、环状流等。
这些流型具有不同的流动特性和相互转换的规律。
为了更好地研究这些流型的特性，本文采用了数值模拟的方法。
数值模拟主要采用计算流体动力学（CFD）方法，通过建立数学模型，对不同流型下的气液两相流进行模拟。
在模拟过程中，考虑了流体物性、管道尺寸、流动速度等因素对流型的影响。
同时，采用适当的湍流模型和两相流模型，对气液两相的相互作用和流动特性进行描述。
三、实验研究方法与结果分析为了验证数值模拟结果的准确性，本文还进行了实验研究。
实验采用水平管道装置，通过改变气液流量、管道尺寸等参数，观察并记录不同流型下的流动特性。
实验结果表明，随着气液流量的增加，流型逐渐由泡状流向环状流转变。
在泡状流中，气泡分散在连续的液相中；在弹状流中，较大的气泡或气团交替出现在连续的液相中；而在环状流中，气体核心包裹着液体在管道中流动。
这些流型的转换规律与数值模拟结果基本一致。
此外，实验还发现，管道尺寸对流型也有显著影响。
当管道直径增大时，更易形成环状流；而当管道直径较小时，更易形成泡状或弹状流。
这为实际工程应用中管道设计和优化提供了重要的参考依据。
四、数值模拟与实验结果对比分析将数值模拟结果与实验结果进行对比分析，可以发现两者在流型转换规律和流动特性方面具有较好的一致性。
这表明本文采用的数值模拟方法具有较高的准确性和可靠性，可以为实际工程应用提供有效的预测和指导。
基于CFD技术的管道过滤器内部流场模拟及其结构优化设计
基于CFD技术的管道过滤器内部流场模拟及其结构优化设计巴鹏;房元灿;谭效武【摘要】采用计算流体动力学(简称CFD)方法对XYZ-100稀油站所使用的2FXG-32型过滤器内流场进行模拟分析,并根据模拟结果对过滤器结构进行优化.结果表明,经过结构优化后的过滤器减小了漩涡、死水区等水流状况,减少了能量损失;增大了有效过滤面积,提高了过滤效率;优化后过滤器结构紧凑,降低了生产和制造成本.%Internal flow field features of 2FXG-32 filter for XYZ-100 lubricant machine was analyzed by using CFD.Structure optimization for filter was carried out based on the results of simulation. The results indicate that the flow phenomenon such as whirlpool and stagnant water zones is decreased, the loss of energy is reduced, the filtration area is increased effectively and the filtration efficiency is improved. The simulated filter has compact structure, the cost of production and manufacture is reduced.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2011(036)004【总页数】4页(P98-101)【关键词】过滤器;数值模拟;CFD;流场分析;结构优化【作者】巴鹏;房元灿;谭效武【作者单位】沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳,110159;沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳,110159;伊威泰克太阳能设备(沈阳)有限公司,辽宁沈阳,110179【正文语种】中文【中图分类】TH117.2过滤器是XYZ-100型稀油站管路系统中重要的液压元件[1],目前在管路过滤器这一行业还没有一套严格的国家标准,在过滤器的设计中,基本上还是依据传统设计方法和经验设计产品,不注重内部结构中的压头损失及过滤效率研究。
循环水槽系统设计及参数研究
作日者期（签：字舛）：弓ｊ月易厶，１日
导师（签字）：办永杰
叩年≥月Ｊ日
哈尔滨－ｌ－稃人学硕－Ｉ－７学位论文
第１章 绪论
１．１前言
随着现代科学的发展，目前不仅在船舶工程的阻力、推进、操纵性和适 航性等有关研究课题方面，而且在海洋工程、渔业生产、水文、水力机械及 运动科学等方面，都有越来越多的流体力学问题需要研究和解决。只要满足 相似理论的要求，这些问题可以在风洞、拖曳水池、水洞或循环水槽中进行。 其中拖曳水池与循环水槽相比，尺度效应比较小，受边界层影响较小，其实 验数据优于循环水槽中的实验数据，是世界主要海洋大国的首选建设项目和 ｊ爿ｊ有的大型实验设备。但由于拖曳水池受到轨道的限制，所以试验的时间受 到限制。而循坏水槽是使水流动，把模型置于流动的水中测量的一种水动力 试验设备。在循环水槽中，水借助于动力系统以一定的速度作循环流动，在 工作段可作长时间的测试，这样不仅便于进行速度和压力的测量，同时可通 过槽体侧面和底部的观察窗进行观察或摄像。此外，循环水槽具有投资小、 占地少、见效快等优点，所以循环水槽已被广泛的应用于进行船舶、海洋工 程、运动科学等领域的水动力试验。
哈尔滨Ｉ：程人学硕十！学位论文
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｃｈａｎｎｅｌ；ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ；ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ
ｓｉ ｍｕｌａｔｅ
哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明
本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
反应器液体分布器CFD模拟优化研究
反应器液体分布器CFD模拟优化研究摘要:液体分布器的分散效果影响着液-液反应的进行，本文以某反应器液体分布器为研究对象，采用CFD方法对其进行了流动模拟研究，得到了其内部压力、速度分布等信息，在分析了当前设计的液体分布器存在的问题，从结构上提出了优化方案，进行了优化模拟，为该烷基化反应器液体分布器的工业设计提供了参考。
关键词:液体分布器；CFD模拟；结构优化中图分类号：TQ021 文献标识码： A引言反应器对于化工工艺的实现起着至关重要的作用，对于液液两相反应，反应器内液体分布器的分散效果好坏直接决定了烷基化反应效率的好坏。
通过理论计算能够大致得到液体分布器的分散情况，但是若要得到精度更高更为准确的分散情况便变得较为困难，同时也很难通过传统的实验方法测得液体分布器各个出孔的数据。
随着计算流体力学的发展，CFD（Computational Fluid Dynamics）方法以其在既无法做分析解而又难以实验确定的复杂问题上表现出具有成本低而又能模拟较复杂或较理想过程等优点而越发成为现今科学研究、产品设计等的重要手段[1]。
本文以某反应器的液体分布器为研究对象，采用CFD模拟的方法，对液体分布器进行了模拟研究，优化分布器结构参数，为反应器设计提供一定的指导作用。
值得一提的是，很多反应器都是液-液反应，因此本文对液体分布器的模拟优化研究具有普适意义。
1 液体分布器几何模型某反应器选用排管式液体分布器，其工艺尺寸如下：分配主管直径为200mm，布液支管直径为30mm，总支管2×13=26根，以中心支管为对称中心对称排列，间距为70.7mm，中心支管长430mm，其余长度分别为430/430/430/360/290/220 mm，小孔直径6 mm，孔间距为70.7 mm，按正方形排列，并且距器壁20mm的区域不布孔，主管的正下方开13个孔，布液管上开132个孔，分别为6/6/6/6/5/4/3，均开在下方，孔总数为145个。
CFD 在砂岩储层油藏模拟中的应用研究
CFD 在砂岩储层油藏模拟中的应用研究随着石油开采技术的不断发展，油藏模拟成为石油工业中不可或缺的环节。
在油藏模拟中，CFD（Computational Fluid Dynamics）已经成为重要工具之一。
CFD是一种数值模拟方法，可以对流体的运动和传热进行模拟，被广泛应用于油藏模拟中。
本文将着重探讨CFD在砂岩储层油藏模拟中的应用研究。
一、CFD在砂岩储层油藏模拟中的优势CFD作为一种数值模拟方法，其最大的优势在于可以帮助研究人员了解流体的流动情况以及油藏中油水分离的过程。
在砂岩储层油藏模拟中，CFD能够帮助人们更好地理解油藏中砂岩与流动的油水相互作用的过程，并可以得到更准确的分析结果。
与传统的分析方法相比，CFD具有以下优势：1. 有效地模拟了砂岩储层中的复杂流动和相互作用砂岩是典型的多孔介质，纵向和横向均存在不均匀性。
CFD可以帮助人们更好地理解和模拟砂岩储层中的复杂流动和相互作用，将结果与实验数据进行比较，从而提高油田的开发效率，并减少开采成本。
2. 可以模拟砂岩-流体相互作用过程，预测油藏中油水分离的时间和位置CFD可以模拟砂岩-流体相互作用过程，通过对流体的流动、扩散、传热、沉淀和沉积等过程进行模拟，预测油藏中油水分离的时间和位置。
这对提高油田开发的效率和减少成本有很大的帮助。
3. 提供了可视化的结果，帮助人们更好地理解模拟结果CFD模拟结果可以通过可视化方式展现，帮助人们更好地理解模拟结果和预测结果，指导油田开发和管理。
二、CFD在砂岩储层油藏模拟中的应用案例1. 油藏水驱开发过程中的应用CFD可以用于模拟油藏水驱开发过程中砂岩与流体相互作用的过程，从而帮助人们更好地理解流体在油藏中的流动和扩散规律，预测分层状况，优化开采方案。
一项研究对一个实际砂岩储层进行了模拟。
结果显示，CFD可以帮助人们更好地理解驱动剂和油在砂岩中的流动，预测油与水的分布。
这对提高开发效率、减少开发成本和保护环境都有很大的帮助。
基于CFD的管汇阀门抗气蚀数值模拟研究
机械与动力工程河南科技Henan Science and Technology总第817期第23期2023年12月收稿日期：2023-09-22基金项目：国家自然科学基金资助项目（51909236）；浙江省自然科学基金资助项目（LQ19E090009）。
通信作者：尚照辉（1986—），男，博士，工程师，研究方向：科技传播。
基于CFD 的管汇阀门抗气蚀数值模拟研究尚照辉1,2（1.河南《创新科技》杂志社，河南郑州450000；2.浙江大学建筑与工程学院，浙江杭州310058）摘要：【目的】阀门是水下生产系统的重要组成部分。
为了提高阀门的可靠性，需从可靠性设计着手，优化阀门内部流场，来有效降低气蚀对阀门的损坏，即降低振动、减小噪声。
【方法】对阀门现有结构进行优化设计，采用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics ，CFD ）数值模拟对结构优化前后的阀门内部流场进行分析。
【结果】经过结构优化后的阀门，其内部流场得到改善，抗气蚀性能得到提高，其稳定性、可靠性、操作性及使用寿命均有所增加。
【结论】阀门可靠性的提高应从优化设计开始，必须将可靠性设计理念融入阀门设计过程中，将先进设计手段和技术应用于阀门的数值模拟中，可获得比较理想和精准的优化结果。
关键词：阀门；CFD 数值模拟；结构优化；气蚀；可靠性中图分类号：TE937文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2023）23-0033-05DOI ：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.23.007Numerical Simulation Study of Cavitation Resistance of Manifold CalveBased on CFDSHANG Zhaohui1,2(1.Henan Innovation Science and Technology Magazine,Zhengzhou 450000,China;2.College of Civil Engin⁃neering and Architecture,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)Abstract:[Purposes ]Valve is an important part of underwater production system.In order to improvethe reliability of the valve,it is necessary to optimize the flow field inside the value from the reliability design to effectively reduce the cavitation damage to the valve,and to reduce vibration and the noise im⁃pact.[Methods ]The existing structure of the valve was optimized and the internal flow field of the valvewas analyzed by using Computational Fluid Dynamics (CFD)numerical simulation.[Findings ]After the structure optimization,the internal flow field of the valve was improved,the anti-cavitation performance was improved,and the stability,reliability,operability and service life were enhanced.[Conclusions ]The improvement of valve reliability should start from the optimization design.The concept of reliability design must be integrated into the valve design process,and the application of advanced design meansand technology to the numerical simulation of the valve can obtain ideal and accurate optimization re⁃sults.Keywords:valves;CFD numerical simulation;structure optimization;cavitation;reliability0引言海底管汇是把采油系统进行集成，形成集中的海底管汇切换控制系统，相当于海底油气采集转运控制中心［1］，是一种高价值深水水下生产系统，其主要系统和部件具有投资成本高，恢复、修理和更换故障设备复杂，费用高等显著特点［2］。
基于cfd的泵送混凝土流变性能数值模拟研究
验方法ꎬ但投资巨大、复杂且难以实现ꎮ 高层泵送混凝土压力损失计算主要采用« 混凝土泵送施工技术规
程» ꎬ但该方法与实际结果差距较大 [１￣２] ꎮ
计算流体力学( ＣＦＤ) 提供了一种模拟泵送混凝土流变性能的新方法ꎬ具有预测结果准确且可视化、减少
２. Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅｓꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１２４ꎬ Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｉｔ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｘ ａｎｄ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｆｒｅｓｈ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｎ ｐｕｍｐ ｐｉｐｅꎬ ｗｈｉｌｅ
(１. 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室ꎬ北京 １００１２４ꎻ２. 北京工业大学应用数理学院ꎬ北京 １００１２４)
摘要:预测新拌混凝土在泵管中的流变性复杂且困难ꎬ而计算流体力学( ＣＦＤ) 提供了一种模拟泵送混凝土流变性
能的新方法ꎬ具有预测结果准确且可视化、减少试验工作量等优点ꎮ 为此通过采用 ＣＦＤ 中的 Ｆｌｕｅｎｔ 数值模拟软件
试验工作量等优点ꎬ该方法可以得到许多试验无法测得的结果 [３￣７] ꎮ 有研究先用流变仪测定了混凝土的流
基金项目:“ 十三五” 国家重点研发计划(２０１７ＹＦＢ０３１０１００) ꎻ国家自然科学基金(５１８０８０１５)
作者简介:李 悦(１９７２￣) ꎬ男ꎬ博士ꎬ教授ꎮ 主要从事水泥混凝土材料、道路工程材料、混凝土结构检测与加固等方面的研究ꎮ Ｅ￣ｍａｉｌ:ｌｉｙｕｅ
ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ( ＣＦＤ) ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐｕｍｐｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅꎬ
基于CFD的内压式MBR污水处理过程的模拟与仿真
International Journal of Mechanics Research 力学研究, 2019, 8(2), 118-125Published Online June 2019 in Hans. /journal/ijmhttps:///10.12677/ijm.2019.82014Simulation and Simulation of InternalPressure MBR Wastewater TreatmentProcess Based on CFDXuefei Dai, Chunqing Li, Ming MaSchool of Computer Science and Software Technology, Tianjin Polytechnic University, TianjinReceived: May 16th, 2019; accepted: Jun. 4th, 2019; published: Jun. 11th, 2019AbstractMBR (membrane bioreactor) is an emerging high-efficiency water treatment technology in recent years. Its working principle is to use the membrane separation equipment to intercept the acti-vated sludge and macromolecular organic matter in the sewage. The essence of this process is solid-liquid separation. To study the wastewater treatment process of MBR, we simulated the process using CFD-related software. First, the membrane module portion of the internal pressure MBR is selected for modeling and meshing. Then, we use the Euler multiphase flow model to set the fluid in the membrane tube as water and suspended particles. The model was solved by FLUENT calculation, and it was found that after 500 iterations, the residual curve converges at about 17 times. Finally, the calculation results were imported into the post-processing software for visualization. It was observed that the pressure distribution and water flow direction of the membrane module were consistent with the actual situation. At the same time, the actual data of a sewage treatment plant was used for calculation and verification, which proved that the model is reliable and effective.KeywordsCFD, MBR, Euler Multiphase Flow Model基于CFD的内压式MBR污水处理过程的模拟与仿真戴雪飞，李春青，马明天津工业大学计算机科学与软件学院，天津戴雪飞 等收稿日期：2019年5月16日；录用日期：2019年6月4日；发布日期：2019年6月11日摘 要MBR (膜生物反应器)是近年来新兴的一种高效水处理技术，其处理原理为利用膜分离设备将污水中的活性污泥和大分子有机物截留住，这个过程的本质就是固液分离。
CFD在水处理反应器研究中的应用进展
第22卷第6期2011年12月水资源与水工程学报Journal of Water Resources ＆Water EngineeringVol．22No．6Dec ．，2011收稿日期：2011-08-16基金项目：上海市教委重点学科建设项目（J50502）；上海市研究生创新基金项目（JWCXSL1102）作者简介：黄远东（1965-），男，湖南邵阳人，博士，教授，从事河流动力学及环境模拟技术的研究。
CFD 在水处理反应器研究中的应用进展黄远东，顾静，赵树夫，周中华，姜剑伟（上海理工大学环境与建筑学院，上海200093）摘要：计算流体动力学（CFD ）已在水处理反应器研究中得到了较为广泛的应用。
本文综述了CFD 技术在固液分离反应器、生物处理反应器以及化学处理反应器研究中的应用现状，并指出了应用中所存在的不足，进而提出了CFD 应用于水处理反应器模拟中有待进一步研究的问题。
关键词：计算流体动力学；水处理；反应器；数值模拟中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1672-643X （2011）06-0011-05Application progress of CFD in study of water treatment reactorsHUANG Yuandong ，GU Jing ，ZHAO Shufu ，ZHOU Zhonghua ，JIANG Jianwei（School of Environment and Architecture ，University of Shanghai for Science and Technology ，Shanghai 200093，China ）Abstract ：Computational fluid dynamics （CFD ）has been widely utilized in the study of water treatment reactors．This paper firstly reviewed the application status of CFD in the study on solid －liquid separation reactors ，biological treatment reactors and chemical treatment reactors ，and then pointed out the weakness of CFD application in modeling reactors．This paper finally put forward some important issues for further usage of CFD in simulating water treatment reactors．Key words ：computational fluid dynamics ；water treatment ；reactor ；numerical simulation0引言计算流体动力学（computational fluid dynamics ，简称CFD ）是流体力学的一个重要分支，其通过数值求解流体运动（单相流动或多相流动）控制方程来获取流场的基本信息。
多功能风洞及CFD优化设计
多功能风洞及CFD优化设计陈作钢;李金成;代燚;马宁;任泽斌【摘要】上海交通大学在建的多功能低速风洞具有串列式的大小两个试验段.为提高边界层试验时的工作效率,将在大试验段的转盘前部设置自动升降粗糙元装置.为模拟风浪流联合作用环境下船舶/海洋工程结构物的流体动力响应,由旁路风道将风引至循环水槽测试部的上方,并且该测试部的风速可以随时间周期变化.为提高大试验段的流场指标,在与试验结果对比的基础上,CFD方法模拟了风洞的内部流场,基于DOE结果生成了Kriging模型,采用多岛遗传算法得到最优解.研究结果表明优化设计的结果显著提高了流场的性能指标.%A wind tunnel with two test sections will be built in Shanghai Jiaotong University. In order to enhance the working proficiency in the boundary layer test, the autocontrol roughness element system is equipped m front of the turntable. To facilitate the experiment simulating the environment of wind, wave and flow, the wind, which is capable of periodic variation, is conducted to the test section of the circulating water channel. To enhance the uniformity of the flow at the test section, CFD is used to simulate the flow field inside the wind tunnel while some computed results are compared with the experimental data. Kriging model is created based on DOE's results and the optimum is obtained by Multi-Island Genetic Algorithm, The optimal design improves the flow field at-the test section greatly.【期刊名称】《实验流体力学》【年(卷),期】2012(026)004【总页数】6页(P73-78)【关键词】多功能风洞;自动升降粗糙元;脉动风;CFO;优化设计【作者】陈作钢;李金成;代燚;马宁;任泽斌【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200030;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200030;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200030;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200030;中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳621000【正文语种】中文【中图分类】V211.740 引言作为上海交通大学船舶海洋工程国家实验室（筹）的重要实验设备之一，风洞循环水槽将于2012年完成设计建造。
物理海洋实验的概述
物理海洋实验讲义海洋环境学院2008年3月目录物理海洋实验的概述物理海洋实验的基本设备实验1 风浪水槽平均风速测量实验2 水槽风浪波面位移的测量和分析实验3 海-气边界层的测量和分析实验4 水下压力波动的测量与分析实验5 科氏力实验实验6 泰勒柱实验实验7 Rossby波的实验模拟物理海洋实验的概述一．引言众所周知，物理海洋学是流体力学的一个重要分支，是研究海洋流体和地球流体动力过程的一门学科。
物理海洋学本身又是以应用和实践为主的学科，其研究方法可分为理论研究、数值模拟、实验研究和海洋调查。
各者互为补充，又不可代替。
其中实验研究是物理海洋学的不可忽略的重要组成部分。
它的研究范围遍及物理海洋学的各个领域，对物理海洋学地发展起着关键性的作用。
二．物理海洋实验和海洋调查从广义上讲，现场海洋调查也属于实验研究的范畴，所不同是，海洋调查直接探测的对象是真实的海洋，而实验研究大多在实验室模拟环境下进行。
海洋现场调查是研究海洋的重要方法，是直接获取海洋资料的主要途径。
但是海洋调查有局限性：1）属于被动观测，无法控制环境条件，无法重复现象和过程。
2）对于有些非静态的变化过程或者大尺度现象，仅靠有限的海上单点时间序列的现场观测是无法全面了解的。
3）近代海洋卫星遥感技术虽然可以大范围观测海洋，但是对于海洋内部的过程仍然无法直接观测到。
4）海上条件复杂和恶劣，且观测费用昂贵，不易采用系统的和精密的、重复的观测手段。
相比之下，实验室物理模拟研究的优点是：1）可以控制实验条件，如背景风和背景流。
2）可以重复再现海洋现象和过程；3）可以运用各种先进技术手段，精细的、全面的观测；4）可以观察到现象的内部规律，比如内波、毛细波、Rossby波、海洋湍流、贴水面边界层、水下水质点运动等等。
三．物理海洋实验研究的主要任务1．研究海洋运动中的新现象和相应的基本规律，探索相应的基本规律在物理海洋学研究的许多分支中心的发现和重大研究成果不断涌现。
CFD模型在污水沉淀池数值模拟中的应用
CFD模型在污水沉淀池数值模拟中的应用摘要：本文介绍了在沉淀池数字模拟中使用的大量振荡模型，概述了目前的研究状况，在计算中采用了模拟污水池的流体动力学模型，并讨论了环境署的对沉淀池数值模拟的影响。
模拟结果中拟议边界条件和环境因素，并讨论了将CFD模型应用于模拟污水池的价值。
关键词：CFD模型；污水沉淀池；数值模拟计算流体力学（CFD）是一门新兴学科，近年来在污水处理中广泛应用，在1980年代，污水处理中的流体动力特性和混合模式的预测主要以物理模型为基础。
在1980年代，随着计算机能力和速度的提高，以及涡流模拟技术的发展，动力学物质混合形态的检测成为环境流体动力学和流体动力学的一个重要因素。
1.CFD模型计算流体动力学模型（CFD）适用于沉积物容器的设计，它以基本的流体动力学原则为基础，是一种比较发达的数字模拟技术，将沉积物沉积几何分为若干小单元，以网格形式进行描述，并确定每个网格单元的质量、能量、动力和固态浓度。
由于某些特殊单元的液体受到相邻单元和水库限值的影响，因此，有必要确定这些限值的条件。
此外，网格应足够大，才能够更确定表达模型的几何形态（此处指沉积层）和流体的某些重要特性（流体状态），开发简单、方便用户的软件，并通过计算机技术将CFD模型应用于沉淀池数字模拟[1]。
事实上，大多数流体流动都是动荡的，但到目前为止，无法有效地描述动荡流动的方程式，因此，需要增加一些假设条件来修改模型，以使这种模型能够更有效地描述沉淀池的变化。
与其他加工装置相比，沉淀池中的液体相对较小，但有时雷诺数非常大，而且较为不稳定，沉淀池中的动力主要是由于水和池中的流体的混合作用。
沉淀池的数字模拟使用了大量CFD模型，其中主要包括零方程模型、单一方程式模型、二进制模型、雷诺数模型、代数抗震模型等。
零方程模型也称为封闭一级模型，它假定雷诺数的反应能力只是时间平均值的一个函数，只引入了一个额外的代数关系，而不是一个额外的差分方程。
平流式沉淀池中水流流态的CFD模拟
结论与建议
（2）沉淀池端部直接出水的方式容易 导致出水堰负荷较高，出水流速大，容易 形成跑泥现象；若改用多指形槽出水的方 式，显著降低了出水堰负荷和出水流速， 出水流态稳定，不容易跑泥。
结论与建议
4.2 建议
（1）对更多的常用水处理构筑物进行CFD模拟， 找出其中的水流流态特征，为进一步开发常规 水处理构筑物的处理潜力，优化结构设计打下 理论基础。
水深1m处横向剖面速度分布图
结论与建议
4.1 结论 （1）进水不设挡板时，死水区较大，易短流，进
水分布不均匀，且有旋涡产生；设挡板时，流态有 较大改善，死水区较小，沉淀区水流分布较均匀， 流态较稳定，但仍存在涡旋和反射流等干扰流动； 设穿孔花墙的进水方式，通过穿孔花墙能均匀配水 ，降低进水速度，具有整流左右，使水流基本以层 流方式通过沉淀区，死水区面积极小，而且沉淀区 基本没有涡旋出现，对提高沉淀效果较为有利。
因此，可以采用CFD的方法模拟沉淀池流态 ，找出限制性因素，优化池型结构。
项目模型
2.1 物理模型
表1 沉淀池物理原型主要结构尺寸(单位有效水深 3 泥斗下宽 0.5
池宽
4.5
出口堰上水
头
0.2
泥斗上宽 4.5
池底坡度 0.015
项目模型
2.2 计算模型
平流式沉淀池的实际流动过程为固液两 相流动，但由于污泥颗粒较小，密度与水接 近，为简化模拟过程的复杂性，可以将固液 两相体系视为拟均相，在模拟过程中直接采 用纯水的物理特性。此外，池底坡度较小， 对水流流态影响小，在模拟中将池底设计为 平底。沉淀池的排泥过程一般是间歇性的， 所以不考虑沉淀池的排泥过程。
距入口0.7m处速度纵剖面图
模拟结果及分析
CFD在大型潜水贯流泵装置优化设计中的应用
Ｃ ｔ ｝ Ｇ — ｃ ｚ ｐ Ｔ ＋ Ｓ
（ ４ ）
雷 诺 时均方 程 、 标准的 ｋ～ 两 方程湍 流模 型 ， 模 拟水
轮机尾 水管 、 蜗壳 和 叶轮 内部水 流 的流态 ， 预测水 力 机
式 中 ， Ｇ ： 薏 ＋ 薏 差 ＝ ｐ ｃ 譬
第４ ４卷 第 １期
２ ０ １ ３年 １月
人 民 长 江
Ｙａ ｎｇ ｔ ｚ ｅ Ｒｉ ｖ ｅ ｒ
Ｖ０ １ ． ４４． Ｎｏ ．１
Ｊ ａ ｎ ． ， ２ ０ １ ３
文章编号 ： １ ０ ０ １ — ４ １ ７ ９ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ 一 ． ０ ０ ６ ４—０ ５
司 压 缩 流 动 。 连 续 方 程 和 动 量 方 程 为
丝 ．． ．
ａ ｘ ａ ｔ ＋ ａ
ｘ
＝ 一
（ １ ）
方便 等特 点 ， 主要 用 于 城 市雨 污 水 抽 排 、 农 业 灌 溉 用
水、 区域 调水 等 ， 尤 其适 用 于扬 程 低 、 运 行 时 间长 的场 合， 是 目前 国内较 为理 想 的排 涝 与灌 溉 综 合 利用 的水 利、 防洪 工程 产 品 。 ， 在我 国平 原低洼 地 区有 着 广泛 的应 用市 场 。 由于在多 数情况 下水 泵 内部 的流动 处于 湍 流状 态 ， 所 以对 其研 究较 为 困难 。近年来 ， 随着 计算 机及 Ｃ Ｆ Ｄ技术 的迅 速 发展 ， 国内外对 水 泵 内部 的三 维 粘性 流 开展 了数值 模 拟 研究 ， 较 为详 细 地 分 析 了水 泵
进设计提供理论依据。
关
键
词： 流体 动 力 学 ；潜 水 贯 流 泵 ； Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ ； 优 化 设 计
新型搅拌槽固液悬浮特性CFD研究
新型搅拌槽固液悬浮特性CFD研究固液混合搅拌槽在石油、化工、制药、食品以及生物发酵过程中有着非常广泛的应用，对其进行的数值模拟和实验研究也很充足。
传统的搅拌槽是利用槽内四块挡板实现固液悬浮，新型搅拌槽是采用底部的对数螺旋线导流板实现固体颗粒的悬浮。
新型搅拌槽的显著特点是低剪切高传质，因此，深入研究并充分认识其混合优点，可以为工业设计及应用提供理论基础。
标签：新型搅拌槽；固液；悬浮；CFD一、混合机理传统的标准搅拌槽利用槽壁处的四块挡板来改善搅拌效果的，新型搅拌槽利用的是龙卷风的原理做成的，因此也可叫做中心龙卷流型搅拌槽。
新型搅拌槽底部有对数螺旋线导流板，它对流体导流有着特殊的作用，本文通过利用CFX对两种搅拌槽进行对比模拟。
二、数值模拟数值模拟采用的液相为水，固相为石英砂颗粒，颗粒的直径为0.05mm，颗粒的体积分数定为0.5%，设置转速为350r/min，搅拌桨叶采用的是六直叶圆盘涡轮桨。
图1和图2是两种形式的搅拌槽内部结构图。
图3为标准搅拌槽和新型搅拌槽内轴截面处的速度矢量图。
通过CFD模拟图可知：传统搅拌槽和新型搅拌槽内，速度最大值均出现在搅拌桨叶附近，但流体的流动形态却有很大区别。
在传统搅拌槽内，流体的流动在六直叶圆盘搅拌桨作用下主要先以径向流为主，即先向搅拌槽四周流，当流体碰撞到槽壁后，流向改变。
一部分沿槽壁向上流动到达液面顶端之后再沿搅拌轴向下流动，最终回到搅拌桨附近，完成一个循环。
另一部分流体向下流动，形成另外一个循环。
由此可见，标准搅拌槽在全槽范围内形成了两个比较明显的循环流，不利于固液在全槽范围内达到比较理想的混合。
在新型搅拌槽中，虽然涡轮桨属于径向流搅拌桨，但由于在槽底对数螺旋线导流板的作用下，使得流体的流动主要以螺旋上升的轴向流为主，流体到达搅拌桨附近后，在搅拌桨的旋转作用下，流体流向四周槽壁，与槽壁碰撞之后向下流动，回到导流板，然后继续螺旋上升，以此重复达到一个完整的循环。
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暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集循环水槽中分层流模拟试验与CFD研究陈作钢1马宁1桥诘泰久2渡边幸英2松井志郎2（1. 上海交通大学，上海，200030； 2. 西日本流体技研株式会社，日本长崎，8570401）摘要：风洞循环水槽作为上海交通大学船舶与海洋工程国家实验室的重要的教学与研究设施之一，目前正积极筹备建设中。
该风洞循环水槽由低速风洞和分层流循环水槽两部分构成。
为了模拟海洋环境中因海水浓度不同而形成的分层流，拟在普通循环水槽中设置分隔板。
为考察初步设计方案的有效性，进行了水槽试验和CFD计算的比较研究。
研究结果表明：新型循环水槽中设置的分隔板对计测部流动的均一性有较大影响。
低水位的条件下，流速较大时，不易满足分层流试验的要求；而流速低于0.3m/s的情况下，水面平滑、流速均匀，可较好地模拟分层流。
本研究为新型循环水槽的设计建造提供了参考依据。
关键词：循环水槽；分层流；CFD1 引言1.1 研究背景中国经济的迅速崛起和全球航运市场的迅猛复苏,极大地刺激了国内外航运和造船市场, 世界造船中心正加速向中国转移，中国已经成为全球重要的造船中心之一。
船舶工业作为国家支柱产业，按照我国到2015年成为世界第一造船集团的战略要求，正面临着前所未有的机遇和挑战。
然而，与世界造船强国相比，我国的造船工业还存在着造船技术相对落后、技术创新能力不足等发展瓶颈，严重影响了产业的经济效率。
船舶工业要适应对船舶安全、环保、节能、舒适性能要求不断提高的市场需求，按照船舶大型化、高速化、智能化的技术发展方向，提高产品优化设计和开发创新水平。
因此，建立相应的重大科学装置、提升理论分析计算水平，具有重要的意义。
2006年底，科技部启动上海交通大学“船舶与海洋工程国家实验室”的建设，目前正积极筹备建设中，而作为本学科重要的教学与研究设施之一的风洞循环水槽也已经通过专家论证即将启动，建成后将填补我国船舶与海洋工程研究设备的一项空白。
该装置将在前沿探索性基础研究及工程开发研究中发挥重要作用，并且为开展船舶与海洋工程学科以及土木、建筑、机械、水产、水利等工程学科的跨学科研究提供理想的平台。
如图1所示，该风洞循环水槽由低速风洞和分层流循环水槽两部分构成，二者相互关联，形成风、浪、流及分层流环境条件下船舶与海洋结构物的流体动力性能试验能力，同时具备- 417 -暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集低速风洞的功能。
该装置的突出优点是可以实现流体动力及精细流场的长时间、多目标、自动化测量，并且能够方便地实现流场的多种可视化，是传统试验装置所无法比拟的，特别适合于开展新船型开发、船型优化等研究；其独特之处在于能够模拟分层流、内波、不规则波浪及变动风所形成的复杂海洋环境，可开展海洋环境非线性相互作用、内波及其作用机理、涡激振动机理、流固耦合机理等基础研究，以及船体及其附体水动力性能和流场信息的同步精细测量与分析、海洋平台及其立管和系泊系统在内波作用下的运动及流体动力响应等应用基础研究。
除此之外，该装置还可用于船舶推进及操纵装置、水下运载器、海上风力发电装置以及帆船、游艇等的试验研究与产品开发预研。
图1 风洞循环水槽构想图1.2 循环水槽的一般介绍由于开发成本低、试验周期短、观测计量容易、省人力化等优点，循环水槽已被日、韩等造船先进国家广泛地用于船型开发和船舶水动力学性能试验[1]。
代表性的垂直型循环水槽如图2所示。
位于CS9～CS1间的水泵叶轮由电机驱动，将水流沿扩张段（CS1～CS2间）推向下游；水流流经第三转角（CS2～CS3间）和第四转角（CS3～CS4间）后，顺次流过蜂巢（Honey comb）等整流装置区、管嘴状收缩段（nozzle）、表面流加速区，进入计测部；最后流经第一转角（CS6～CS7间）、第二转角（CS7～CS8间）和位于推进器上游的收缩段（CS8～CS9间），完成一周循环。
为减少流动分离的发生，在4个转角处都设置了导向叶片。
为使计测部的水流平稳，在第四转角的上部设有真空盒，循环水槽工作时，该处的压力值被调至低于大气压。
在测试部的上游，一般设置表面流加速装置以抵偿水槽外层壁面造成的速度亏缺。
有的水槽在第一转角的上部设有气泡排出口以有效地减少气泡混入。
从计测部的两侧和底部的透明玻- 418 -暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集璃可以很方便地进行流动观察。
1.3 新型循环水槽的特点及研究内容拟建的循环水槽最高设计流速为2.5m/s，计测部大小为长8.0m×宽3m×水深1m。
除常规循环水槽主要应保证的计测部流速的均匀性和基本水平的自由面外，针对风洞循环水槽的特殊点，必须重点考察：新增的隔板对计测部水流的影响、内波发生器的最佳设计问题、自由面上方风速的均匀性问题、风浪流联合作用时相互影响等问题。
这种新型循环水槽属国内首创，在国际上也十分罕见。
该试验装置的设计上无现成案例可供参考，客观上造成了该装置的设计面临很大困难。
这些问题用传统的经验设计[2,3]难以解决，而全部依赖试验来研究又受时间和成本等因素的限制。
近年来，将CFD技术运用于循环水槽的优化设计已取得了瞩目的成就[4]。
因此，运用CFD计算配合适当的试验来进行系统研究，有望从根本上掌握该试验装置内部的流动机理，达到最好的设计效果。
图2 垂直型循环水槽示意图为了模拟海洋环境中因海水浓度不同而形成的分层流，拟在普通循环水槽中设置分隔板，即除计测部外将水槽分隔成内外基本相等的两部分，用上下两套共四只水泵叶轮推动。
分层流试验时，在上下两层分别注入淡水和盐水。
为应对不同的淡水层厚度，有时必须降低外层的水位，这有可能导致计测部的流动不稳定、难以实现理想的实验环境。
为考察初步设计方案的有效性，进行了水槽试验和CFD计算的比较研究。
- 419 -暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集- 420 -2 试验研究试验在西日本流体技研株式会社的第2循环水槽中完成。
该水槽的计测部的尺寸为长6m ×宽2m ×水深1m 。
计测事项是制波板下游1m 、宽度方向正中一点的自由面的垂向变动。
水位设为两种：即正常1m 水位和0.95m 水位，流速分为0.2m/s 、0.3m/s 、0.4m/s 、0.5m/s 、0.6m/s 等5种，合计10种情况。
选取其中的4种试验结果分析见图3至图6。
在1m 水位时，0.3m/s 和0.6m/s 流速下水面都能保持平滑。
而图5和图6的比较可知，在0.95m 水位时，0.3m/s 的流速下水面可以保持平滑，但0.6m/s 时水面上波纹明显。
图3计测部自由面的摄影图4计测部自由面的摄影(水深1m 、流速0.3m/s) (水深1m 、流速0.6m/s)图5 计测部自由面的摄影图6 计测部自由面的摄影(水深0.95m 、流速0.3m/s) (水深0.95m 、流速0.6m/s)图7显示上述4种情况下计测点的水位随时间的变化幅度分别约为0.2mm 、0.9mm 、0.3mm 、11mm 。
试验全部10种情况下水位的变化幅度见图8，在正常水位1m 的条件下，水位变化幅度随流速缓慢增加；而0.95m 水位时，流速超过0.3m/s 时计测点的水位变化幅度随流速急速增加。
暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集- 421 -图7 计测点的水位随时间的变化图8 计测点水位的变化幅度3 CFD 计算研究3.1 计算方法及计算条件本研究采用CFD 软件FLUENT6.3对循环水槽内的流场进行了数值计算，即用有限体积法离散求解RANS 方程。
计算中采用标准k -ε湍流模式封闭方程，用标准壁函数简化处理近壁流动。
非定常的VOF 法[5]被用于模拟多相流。
计算中采用PRESTO （PREssure Staggering Option ）法进行压力插值，SIMPLE 法被用于速度和压力间的耦合计算。
用显式CICSAM 格式[6]求解VOF 方程，对动量方程采用三阶MUSCL （Monotone Upstream-Centered Schemes for Conservation Laws ）格式，对k 和ε方程采用二阶上风格式。
为提高计算效率，对计算区域做了如图9所示的简化：（1）忽略三维效应，采用二维计算；（2）计算区域中仅包含计测部及其上游的第四转角并各自作适当延伸。
左下方的入口采用速度入口条件，即均一流速。
为保证流量一致及空气不从下游流出，右侧的出口采用特定形式、并采用速度入口条件——负流入即流出。
在计测部的上方添加了一个计算区域，该区域的两侧为滑移壁条件，上方为压力出口条件，即指定该处相对压力为0。
其余物面都采用无滑移条件。
图9 计算区域根据新型循环水槽的特点，用CFD 方法计算了表1所示的10种情况。
无隔板表示普通循暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集- 422 -环水槽，有隔板表示文中所指的新型循环水槽。
相数为2代表空气和淡水，相数为3代表空气、淡水和盐水。
三种流体的基本属性见表2。
表1 计算的条件编号 有无隔板测试部水深/m流速/(m ·s -1)相数Case1 无 1.0 0.3 2 Case2 无 1.0 0.6 2 Case3 有 1.0 0.3 2 Case4 有 1.0 0.6 2 Case5 无 0.95 0.3 2 Case6 无 0.95 0.6 2 Case7 无 0.95 1.5 2 Case8 有 0.6 0.33 Case9 有 0.6 0.6 3 Case10有0.6 1.0 3 表2 流体的基本属性流体 密度/（kg ·m -3） 动力黏性系数/（kg ·m -1·s -1）空气 1.225 1.7894×10-5淡水 1000 10-3 盐水 105010-33.2 隔板有无对流速均一性的影响case1～4情况下计测部入口起下游1m 、2m 和3m 处的流速垂向分布见图10至图13。
对无隔板的case1和case2，除近底壁（y ＝0m ）和近水面（y ＝1m ）外，流速分布的均一性较好。
近自由面处流动慢的问题在实际中常用表面流加速装置来纠正[2、4]，本研究的计算未作考虑。
图10 计测部入口起下游1m 、2m 和3m 处的流速分布（case1）暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集图11 计测部入口起下游1m、2m和3m处的流速分布（case2）从图12和图13来看，计算表明：有隔板的情况下，隔板对流动的迟滞作用十分明显，整体上隔板上方的流速慢于隔板下方。
对于后者可通过调节水泵叶轮的转速来解决；而对前者可考虑将隔板设计为可装可卸的形式，即在不做分层流试验时，减少隔板的长度以使流动均匀。
图12 计测部入口起下游1m、2m和3m处的流速分布（case3）- 423 -暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集图13 计测部入口起下游1m、2m和3m处的流速分布（case4）3.3 低水位时的流场表现case5、case 6、case 7的水位都是0.95m，低于正常的1m水位。