(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210961437.6 (22)申请日 2022.08.11 (71)申请人 水利部交通 运输部国家能源局南京 水利科学研究院 地址 210000 江苏省南京市广州路2 23号 (72)发明人 黄玄　徐津　乌景秀　王玲玲　 杨帆　张先飞　刘国庆　范子武　 (74)专利代理 机构 北京思创大成知识产权代理 有限公司 1 1614 专利代理师 高爽 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 17/11(2006.01) G06F 17/15(2006.01) G06F 111/08(2020.01)G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) (54)发明名称 基于紊流特性的三维紊动射流流态数值模 拟方法 (57)摘要 本发明提供一种基于紊流特性的三维紊动 射流流态数值模拟方法， 该方法包括以下几个步 骤： 在笛卡尔坐标系下基于纳维 ‑斯托克斯方程 组NSEs建立三维射流数值模型； 基于射流紊流结 构， 建立三角函数数值扰动方程组； 分时步将扰 动函数作用于射流口外层网格并率定其中参数， 进行三维紊动射流流态模拟。 本发 明可以解决射 流数值模拟过程中紊流发展不充分、 流态模拟不 准确问题， 更加快速的获得具备各项异性特征的 紊动射流， 大量节省计算资源的同时， 使模拟结 果更加准确， 在射 流机理研究方面有重要意 义。 权利要求书1页 说明书6页 附图5页 CN 115329567 A 2022.11.11 CN 115329567 A 1.一种基于紊流特性的三维紊动 射流流态数值模拟方法， 其特征在于该方法包括以下 几个步骤： 步骤1， 在笛卡尔坐标系下基于纳维 ‑斯托克斯方程组NSEs 建立三维射流数值模型； 步骤2， 基于射 流紊流结构， 建立 三角函数 数值扰动方程组； 步骤3， 分时步将扰动函数作用于射流口外层网格并率定其中参数， 进行三维紊动射流 流态模拟。 2.根据权利要求1所述的基于紊流特性的三维紊动射流流态数值模拟方法， 其特征在 于： 步骤2中三角函数 数值扰动所采用的具体 扰动函数如下： 其中： x、 y、 z表示笛卡尔坐标系中 的方向， u、 v、 w分别为x、 y、 z方向的速度； Aw， Au， Av分别 为w， u， v方向的扰动振幅； w0为射流初始轴线速度； t为模拟时间； N为扰动周期； θr为0到π之 间的随机角； f为扰动频率。 3.根据权利要求2所述的基于紊流特性的三维紊动射流流态数值模拟方法， 其特征在 于： 扰动振 幅Aw的取值根据射流实际情况率定， 范围是0.1 ‑0.2； Au， Av的取值比Aw小一个量 级， 范围是0.01 ‑0.02； N取值 4～8。 4.根据权利要求2所述的基于紊流特性的三维紊动射流流态数值模拟方法， 其特征在 于： f为扰动频率， 取值由斯特劳哈尔数决定， 它是表征流动周期性的相似准则。 5.根据权利要求1所述的基于紊流特性的三维紊动射流流态数值模拟方法， 其特征在 于： 步骤3具体为： 步骤3‑1、 以矩形计算网格剖分三维模拟区域； 步骤3‑2、 将三角扰动函数作用于射流口z方向顶端两层网格的外围两层， 添加扰动后 的垂向流速为 w0+w'， x， y方向流速分别为u'和v'； 步骤3‑3、 调整扰动振幅Aw， Au， Av进行参数率定 。 6.根据权利要求5所述的基于紊流特性的三维紊动射流流态数值模拟方法， 其特征在 于： 步骤3 ‑1中， 射流口处网格需加密处理， 在水槽底部2cm范围内需剖分为8层网格， 当模拟 方形射流口时， x ‑y方向至少剖分为8 ×8个网格； 当模拟圆形射流口时， x ‑y方向至少剖分为 68个方形网格。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115329567 A 2基于紊流特性的三维紊动射流 流态数值模拟方 法 技术领域 [0001]本发明涉及一种紊动射 流流态模拟的数值方法， 具体涉及射 流口数值扰动方法。 背景技术 [0002]自然界中物质排放常有发生， 例如废水排放、 海洋中石油管道泄漏、 海底热液羽 流， 以及大气中的废气排放、 火山烟尘等， 这些物质排放均可概化为受纳流体中的射流运 动。 自然环境中的射流问题多为紊动射流， 而现阶段例如直接数值模拟这种高精度的精细 化数值模拟方法不适用于高雷诺数 的紊流， 大涡模拟方法则会模化掉小尺度涡结构， 致使 紊动发展缓慢且不充分， 通常的解决方法是 人为添加数值扰动， 促使紊流发展。 [0003]传统的射流数值扰动方法， 通常无法准确模拟三维紊动射流的流态特性， 例如白 噪声(white  noise)扰动法仅考虑了紊 流的随机性， 而无法模拟射流紊动的周期性。 正弦函 数或余弦函扰动法虽然可以模拟出具有周期性紊动规律的射流， 但无法准确模拟三 维射流 的各向异性。 具体表现为模拟初期射流u， v速度分量具有明显的相关性， 在同一模拟时刻 x， y方向流速同为正向或同为负向， 从而使计算初期射流x ‑y截面上剖面形状发展为与x轴呈 45度角的长条状。 上述现象会增加 射流达到紊动充分发展状态所需的模拟时长， 在高精度 的三维紊动射流数值模拟中， 会显著增加计算成本， 因此亟需提出一种同时考虑紊动射流 随机性、 周期性和各向异性的数值扰动方法。 发明内容 [0004]本发明的目的是针对三维紊动射流流态模拟的数值方法问题， 提出一种能够同时 模拟射流随机性、 周期性和各向异性的三角函数 数值扰动方法。 [0005]本发明的技 术方案是： [0006]本发明提供一种基于紊流特性的三维紊动射流流态数值模拟 方法， 该方法包括以 下几个步骤： [0007]步骤1， 在笛卡尔坐标系下基于纳维 ‑斯托克斯方程组NSEs建立三维射流数值模 型； [0008]步骤2， 基于射 流紊流结构， 建立 三角函数 数值扰动方程组； [0009]步骤3， 分时步将扰动函数作用于射流口外层网格并率定其中参数， 进行三维紊动 射流流态模拟。 [0010]进一步地， 步骤2中三角函数 数值扰动所采用的具体 扰动函数如下： [0011] [0012] 说　明　书 1/6 页 3 CN 115329567 A 3