扁球体泥沙颗粒沉降的三维格子Boltzmann模型.pdf

《扁球体泥沙颗粒沉降的三维格子Boltzmann模型.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、泥沙研究2013年8月JournalofSedimentResearch第4期扁球体泥沙颗粒沉降的三维格子Boltzmann模型乔光全，张庆河，张金凤(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072)摘要：应用格子Boltzmann方法(LatticeBoltzmannMethod，LBM)模拟扁球体单颗粒沉降，并引入大涡模拟(LargeEddySimulation，LES)描述较大颗粒沉降引起的尾流紊动，建立了扁球状泥沙颗粒沉降的三维数值模型。利用该模型对不同雷诺数下(1～7580)扁球体泥沙颗粒的静水沉降进行了验证模拟。数值模拟结果

2、与已有试验数据相比较，在泥沙颗粒沉降轨迹、沉降速度和阻力系数等方面有较好的一致性。关键词：三维格子Boltzmann模型；大涡模拟；扁球体颗粒；泥沙沉降中图分类号：TV142．1文献标识码：A文章编号：0468-155X(2013)04-0001-07天然泥沙颗粒往往呈非球形，很多学者通过物理模型和数值模型对非球形颗粒沉降进行了研究。早在20世纪6O年代，Stringham等⋯就采用不同类型的泥沙颗粒进行沉降试验，积累了大量数据。Komar等通过物理试验研究了雷诺数Re=0．07～1．5时泥沙的沉降规律，并结合Stringham的物理试验数据，对较

3、大雷诺数范围内，不同形状的泥沙沉速和阻力系数进行了总结。随着试验技术的发展，近年来一些新方法也不断应用于非球形颗粒沉降的研究，如Zhong等采用立体景象方法(stereoscopicvisionmethod)对薄片状颗粒的自由沉降运动进行了研究。Ern等对片状颗粒和柱状颗粒的试验研究进行了总结。近年来，采用数值模拟方法对不同形状颗粒沉降的研究工作日益增多。Choi等将任意拉格朗日一欧拉法和动网格技术相结合，研究了剪切流中任意形状颗粒的运动动力学。Mody等采用CDL．BI．EM(completeddoublelayer．boundaryintegr

4、alequationmethod)研究扁平球体颗粒在近壁面剪切流中的运动。Fonseca和Herrmann川采用标记网格法(MAC)对椭球体在流体中自由下落进行了三维数值模拟，得到e和转动惯量对单颗粒沉降轨迹的影响，并研究了中小雷诺数下颗粒体积浓度对群体沉降的影响。Xia等采用二维LBM和FEM(Finiteelementmethod)方法，研究了边壁条件对椭球体颗粒在牛顿流体中沉降形态的影响。Qi等’采用三维LBM研究了中等雷诺数(0～350)下非球体颗粒在库特流中的运动形态。Huang等⋯用多松弛LBM研究了Re<700时，椭球状(扁球体和长球

5、体)颗粒雷诺数和初始方位角对库特流中颗粒翻转形态的影响。Htilze等、吴锤结等、张超英等¨、王叶龙等¨也应用LBM对非球体颗粒的沉降做过大量研究。由于扁球体比较接近天然泥沙的实际形状，因此，上述大部分数值模拟工作将泥沙简化成扁球体，模拟了泥沙颗粒在流体中的运动，但这些工作尚未在较大雷诺数范围内从三维角度对泥沙颗粒的静水沉降规律进行模拟分析。因此，为了研究更大e范围内(包括层流区、过渡区和紊流区)扁球体泥沙颗粒的沉降规律，本文将LES和LBM结合，建立扁球体泥沙沉降的三维LBM模型，模拟扁球体泥沙颗粒的沉降过程，并将计算结果和已有的物理试验结果进行

6、验证对比。收稿日期：2012-06-25基金项目：国家自然科学基金资助项目(50779046，50909071)作者简介：乔光全(1986一)，男，山东高密人，博士研究生，主要从事河口海岸水动力及泥沙运动规律研究。E-mail：Kyo_Qiao@163．com通讯作者：张庆河。E-mail：qhzhang@tju．edu．an1数值模型1．1LBM与LESLBM采用微观流体的粒子速度分布函数来描述流体运动，的演化方程为(，+c￡△t，t+at)=(r，￡)一(一)+Fi(1)式中黑体表示矢量。和分别代表在离散时间t内，格子r处速度为c的粒子分布函数

7、和平衡分布函数，其中i为速度方向；At为时间步长；f+是松弛时间；F是作用在该点的外力。关于LBM模拟悬浮颗粒运动的更多基本理论详见文献[16—18]，本文不再赘述。在LBM中考虑大涡模拟的主要思想是在松弛时间中加入一个f项，松弛时间写成r。：rl+f。¨，这时黏性系数和松弛时间的关系为一·⋯·+÷=‘+’+1(L2z)，其中△r是格子尺度。是对应于松弛时间f。的粘滞系数，二者关系为。。+T或Po=(Ir。一)J(3)l，是大涡模拟中的紊动黏性系数，根据Smagorinsky~叫提出的亚格子尺度模型(Subgrid．Scalemodel，SGS)，

8、紊动粘滞系数可以表示为=(C△)√2Si，Slf(4)公式中C，表示Smagorinsky常数，一般小于0．5，本文参考文