脉动流条件下圆柱绕流特性研究

该文数值研究了脉动流条件下圆柱绕流场特性,对涡量分布、升阻力系数、升力系数频谱特性等进行了分析。结果表明,脉动流作用会使圆柱尾涡剪切层变薄,提高脉动频率使尾涡长度变短、脱离加快,提高无量纲脉动振幅使主导涡的脱落速度降低,使旋涡生成区域更靠近圆柱表面;脉动频率与无量纲脉动振幅的增大使升、阻力系数的振幅均增大,而且与升力系数相比,阻力系数的振幅更大,变化更快;升力系数频谱图存在多个主频,包括旋涡脱落频率和相位叠加频率,其中旋涡脱落频率的振幅随着脉动频率的增加而减小,随着无量纲脉动振幅的增加而增加。     

离散涡法模拟不同直径串列圆柱绕流

通过在势流场中嵌入有限数目的点涡来代表局部有旋区域连续分布的涡量,在拉格朗日框架下应用离散涡方法求解非定常涡量方程。从而有效模拟了高雷诺数下不同直径串列圆柱绕流脱落旋涡的动态演化过程,并分析了流场中大尺度旋涡相干结构对前后圆柱受力的影响．结果表明,流场中的小尺度旋涡会被大尺度旋涡卷吸．形成涡量强度更大的旋涡．当大圆柱在前、小圆柱在后布置时,大圆柱的升、阻力系数受影响较小,大圆柱阻力系数基本保持不变,小圆柱阻力系数平均值较小但振幅波动较大,大圆柱的升力系数波动较大,大、小圆柱的升力系数的平均值都基本为0;当小圆柱在前、大圆柱在后布置时,大圆柱阻力系数振幅增大而平均值降低,小圆柱阻力系数振幅减小而平均值增大,大、小圆柱的升力系数趋向于一致,平均值仍然都基本为0．     

圆柱绕流水动力学特性的数值模拟

应用计算流体动力学软件FLUENT对低雷诺数(Re)(Re≤300)下圆柱绕流问题进行数值模拟。采用分区结构化网格及层流模型求解不可压缩Navier-Stokes方程,在未施加任何扰动的条件下获得了圆柱绕流2种特殊的绕流场,系统分析了壁面压力系数、平均阻力系数、脉动阻力、升力系数及旋涡脱落频率等水动力学特性参数随Re数变化的规律,结果与实验研究吻合较好。     

汽车悬架减振器绕流涡旋动态特性分析

为了麦弗逊悬架运动造成其翼子板内流场特性多变的问题。通过将该问题简化为绕流圆柱平面流场,首先利用 SST方程对静态的圆柱绕流体模型进行理论计算和仿真,获得了稳定涡旋下的升力、阻力系数及斯特劳哈尔数等特征值。在此基础上,分析空气流速、减振器直径、横向振动频率和振幅等结构和动力学参数对涡旋动态特性的影响,获得了平均升力系数和瞬时阻力系数曲线的拟合方程。结果表明,斯特劳哈尔数的最大误差为5%,简化模型忽略减振器结构的三维效应是可以接受的;脱涡频率与减振器直径的倒数成二次关系;横向振动频率则对动态脱涡频率起到了关键作用,且对流场的压力分布影响显著,而横向振幅对无边界流场条件下的涡旋特性及压力场分布影响不大。     

二维方柱绕流阻塞效应的大涡模拟

在均匀流条件下对阻塞比(R)分别为4.2%、10%、16.7%、20%和25%的二维方柱绕流进行了大涡模拟(LES)研究,对比了各工况下柱体的整体气动力和表面风压分布随阻塞比的变化规律,分析了阻塞比对柱体附近区域内流场特性和瞬时涡量的影响.研究表明,当阻塞比由4.2%增大到25%,柱体的平均阻力系数、脉动升力系数和Strouhal数分别增加了27.6%、43.6%和31%.随着阻塞比的增大,侧面及背风面负风压系数的均值绝对值以及脉动值均显著增加,柱体两侧附近流场特性也有明显的变化.在大阻塞比工况中,洞壁附近会生成二次旋涡,并与柱体脱落的旋涡相互掺混.     

低雷诺数开缝圆柱绕流尾迹流场特性

为了揭示开缝对圆柱尾迹流场的影响,采用数值模拟方法对低雷诺数无限大流场中开缝圆柱绕流进行研究,以相对缝宽(即缝宽/圆柱直径)和开缝角为变量,斯特劳哈尔数、阻力系数和升力系数为特征参数,分析不同开缝条件下旋涡脱落和圆柱受力的演化过程。研究结果表明:圆周压力分布受相对缝宽和开缝角的影响较小,圆周压力最小点位置随相对缝宽和开缝角的增大而后移;当相对缝宽为0.1时,最大后移幅度为6.11°;边界层分离点随开缝角增大而后移,而边界层分离点随相对缝宽的变化则因开缝角范围不同而不同;随着开缝角增大,开缝圆柱所受阻力减小,当相对缝宽为0.1、开缝角为90°时,可减阻14.63%,升力先增加后减小,旋涡脱落频率增大。     

带弹性分隔板的低雷诺数圆柱绕流尾迹演化特性

为了利用分隔板有效控制圆柱绕流,对雷诺数为100的带弹性分隔板的圆柱绕流开展数值模拟,研究分隔板长度和弹性模量对尾迹流场演化特性的影响,探索斯特劳哈尔数、阻力系数、升力系数和最大振幅率等特征参数的变化规律。研究结果表明:分隔板长度和弹性模量对圆柱绕流尾迹演化影响显著,尾迹流场出现交替脱落漩涡和对称不分离等不同流动结构;斯特劳哈尔数、阻力系数均值、升力系数均方根值和最大振幅率随分隔板长度和弹性模量的变化趋势基本一致,当弹性模量为2.0MPa时,斯特劳哈尔数在分隔板量纲一长度为1.2和2.8处出现极大值;当分隔板量纲一长度为1.2时,斯特劳哈尔数、阻力系数均值、升力系数均方根和最大振幅率的最大值分别为0.302,2.981,1.621和0.280。     

流道弯曲对圆柱绕流尾迹流场的影响

为揭示流道弯曲对圆柱绕流尾迹流场的影响,对低雷诺数下弯曲流道内二维圆柱绕流进行数值模拟,讨论管道宽度、弯曲角度和弯曲距离对流场的影响,得到一定管道宽度下多组合弯曲角度和弯曲距离的流场特征参数及漩涡脱落特征。研究结果表明:弯管内圆柱绕流流场是弯管和圆柱之间相互作用的结果,弯曲段的存在使尾迹流场呈不对称分布;流道宽度对流场特征参数有显著影响,流道越窄,流场越复杂,圆柱前后压差越大,涡长约增长1.4倍,分离角约增大3°,圆柱后壁面会出现附壁涡;压力系数、阻力系数平均值和升力系数均方根随弯曲角度增大明显增大,在θ为90°时达到最大值;随弯曲距离增大,弯曲段对圆柱后尾迹流场的影响越来越小。     

不同三维柱型绕流的仿真分析

为研究不同柱型绕流的水动力特性,以三维圆柱和方柱为例,运用有限元仿真软件ANSYS Workbench,模拟仿真在雷诺数为2.0×104下中截面近壁面周向压力、平均阻力系数、平均升力系数以及斯特劳哈儿数等,并通过分析展向不同截面的旋涡脱落和尾流验证其三维特性,结果表明,圆柱绕流过程中,分离点是不变的,只是围绕一点作周期运动,方柱绕流过程中分离点不断变化在左右前角点之间周期变化;相同条件下,方柱的旋涡脱落频率比圆柱的旋涡脱落频率低,而尾流幅度比圆柱大;整个绕流过程有明显的三维特性,验证了分析三维模型的必要性。     

阻流比对平行壁面间圆柱绕流尾迹演化的影响

为了揭示阻流比对圆柱绕流尾迹演化特性的影响,采用多块O型网格,对低雷诺数下较宽阻流比范围的平行壁面间圆柱绕流进行数值模拟研究,讨论不同阻流比下壁面对圆柱绕流尾迹形态和尾迹转捩的影响,得到尾迹转捩临界雷诺数、双子涡和旋涡脱落的特征参数。研究结果表明:圆柱绕流尾迹转捩和尾迹形态受阻流比影响显著,尾迹转捩的第一、第二临界雷诺数随阻流比而增加,当阻流比超过临界值后,尾迹中出现2个附着于壁面的回流区;斯特劳哈尔数和阻力系数均值随阻流比而增加,而升力系数均方根在不同阻流比范围内则呈现出不同的变化规律。     

圆柱绕流的离散涡数值模拟

首先用面元法模拟了圆柱绕流的势流解,得到了多个圆柱不同配置下的流线图.在此基础上按照一定分离规则引入点涡,就可以用离散涡方法很好地模拟多圆柱绕流.先后得到了流场的流型、涡量等值线图、速度矢量图和阻力升力系数.结果表明单圆柱和双圆柱后的流场有相当大的差别,后者的流型、速度矢量分布都发生了很大的变化,阻力和升力系数也显著增大.     

横掠二维串列双圆柱绕流气动噪声的数值模拟

对横掠串列双圆柱绕流噪声问题进行数值模拟,首先通过二维大涡模拟(LES)求解非定常不可压缩N-S方程捕获瞬时流场声源数据;然后运用基于Lighthill’s声学类比的FW-H方程及其积分解,计算由流体流动诱发产生的噪声。通过比较不同流速、直径、间距比对绕流流场以及由其产生的气动噪声的影响发现:流速、直径增加,辐射噪声级相应增大;流速增加,旋涡脱落频率增大;不同间距比对圆柱旋涡脱落有一定影响,从而影响到辐射噪声,存在噪声最大的临界间距比;同时辐射声场具有较明显的指向性。     

错列双圆柱下游圆柱的升力机理

采用大涡模拟(LES)的方法,在雷诺数Re=1.4×10~5时,研究了间距P/D=4(P为圆心间距,D为圆柱直径)、风向角0°～90°的错列双圆柱的气动力特性和干扰流态,从流场角度分析了下游圆柱受到平均升力和脉动升力作用的流场机理.结果表明:随着风向角的增大,两个圆柱的干扰流态依次为旋涡撞击流态、旋涡撞击和剪切层干扰流态、剪切层干扰流态、尾流干扰流态;在旋涡撞击流态、旋涡撞击和剪切层干扰流态下,上游圆柱的旋涡与下游圆柱发生强烈的撞击,导致下游圆柱的脉动升力远大于单圆柱;在剪切层干扰流态下,下游圆柱受到显著的平均升力作用,下游圆柱风压停滞点的偏移以及上游圆柱的旋涡与下游圆柱间隙侧剪切层(或旋涡)的相互作用,是下游圆柱受到平均升力作用的两个原因.     

振动纤维栅除尘器中单纤维横向运动规律

以振动纤维栅过滤除尘器中纤维为研究对象,通过实验研究结合流体诱发振动的机理分析,确定引起纤维振动的主要原因是流体绕流纤维时,旋涡脱落的不对称性产生的周期性升力作用于纤维,使纤维发生自激振动,旋涡脱落的频率与纤维的固有频率产生同步效应时旋涡脱落诱发纤维产生共振·当发生共振时,可以根据纳维斯托克斯方程计算出旋涡脱落产生的升力系数和阻力系数·     

脊状结构表面圆柱绕流的流体特性研究

通过构造脊状结构表面,采用非定常数值计算方法,对圆柱表面的绕流场及其水动力特性进行数值计算和研究.结果表明:不同结构参数h和θ的脊状结构对圆柱绕流的控制作用均不同,最佳的结构参数分别是h=2 mm和θ=10°;在一定雷诺数条件下,脊状结构表面既可以减小圆柱表面阻力,又可以有效控制圆柱的脉动升力并延缓边界层的分离;随着雷诺数的增大,脊状结构对圆柱绕流的控制效果会减弱.计算条件下的最优控制效果为:阻力系数最大减少32.56%,升力系数最大减少65.41%,因此提出的脊状结构表面的方案对于控制圆柱表面绕流造成的疲劳损伤或破坏具有一定的参考价值.     

太阳能板式换热器的脉动流相变传热特性

为了研究脉动流对太阳能板式换热器相变传热特性的影响,对太阳能光热板式换热器建立三流道模型,模拟脉动条件下流道内部流动相变传热过程。结果表明：脉动流动下,波纹流道内漩涡周期性形成和脱落,波纹凹角处流体与主流区流体的掺混增强。与稳态相比,脉动流场传热效果的强化程度随振幅和频率增大而增大。稳态流动气相在凹角和换热壁面上堆积,形成明显的气膜。脉动流动下,随着脉动振幅增大,脉动流场的气相体积先减小后增大,振幅为0.02时到达最小值,随着脉动频率的增加,气相体积的变化幅值开始减小,气相体积均值在逐渐增大。     

矩形管道内低雷诺数圆柱绕流尾迹演化特性

为了揭示有限管道壁面对圆柱绕流尾迹演化特性的影响,采用基于有限容积法的数值模拟方法,对矩形管道内雷诺数为100的三维圆柱绕流尾迹流场进行计算分析,探讨阻流比和长径比对圆柱表面和尾迹流场中压力分布的影响。研究结果表明:圆柱前、后驻点的压力系数受展向位置影响较大,后驻点压力系数与旋涡脱落状态有关;时均压力系数受管道端壁影响显著,沿前驻点至后驻点圆柱表面时均压力系数先减小后增大;在远离端壁一定区域内,尾迹流态为涡街;而在靠近端壁的一定区域内,尾迹呈现出近似双子涡形态;圆柱表面相同位置处的时均压力系数基本上随阻流比的增大而增大,随长径比的增大而减小。     

低雷诺数下附属棱柱的圆柱绕流减阻

目前圆柱绕流减阻方案的探索一直是绕流研究的热点,有关棱柱作为扰流柱对圆柱减阻效率影响的研究却较少.基于不可压缩黏性流动Navier-Stokes控制方程,利用OpenFOAM对附属棱柱下圆柱绕流问题进行数值模拟.在圆柱上游或下游设置双扰流棱柱,研究了雷诺数为200时不同角度、间距比的棱柱对其升力、阻力系数和涡脱频率的影响.结果表明:附属棱柱能有效改善圆柱表面的压力分布,降低压差阻力;上游设置棱柱时对圆柱的减阻效率可以达到37.21％,较下游设置棱柱的减阻效率更高;下游设置棱柱时对圆柱升力的抑制效率高于上游棱柱,可以达到99.86％;上下游同时设置棱柱时对圆柱升力、阻力的抑制效果能得到进一步提高,较单圆柱平均阻力系数可以降低54.63％,升力系数可以降低99.94％.     

马赫数及间距对串列双圆柱超声速绕流的影响

为揭示不同条件下超声速圆柱绕流流动机理，该文对等直径串列双圆柱超声速绕流进行了数值研究。该文基于有限体积法和欧拉方程，结合5阶高精度加权本质无振荡格式，对不同马赫数及不同圆柱间距对流场的影响规律进行了数值研究，获得了超声速串列双圆柱绕流流场稳定后的流场特性和升力、阻力系数变化规律。结果表明，计算域内的复杂波系主要由弓形激波、反射激波以及弱激波组成；马赫数的增加会使激波结构被拉伸，改变弓形激波在壁面发生的反射类型，并造成计算域出口壅塞进而影响升力、阻力系数的稳定；圆柱间距的增加使得圆柱后方速度剪切层发生摆动，并造成不同间距条件下升力、阻力系数间的差异。     

用无网格法求解不同Re下圆柱绕流问题

采用无网格伽辽金法对不同Re下二维不可压粘性流场圆柱绕流问题进行了数值模拟。该计算不仅预测了不同条件下的流动特性,而且预测了流体作用在圆柱上的曳力和升力。这些力通过积分圆柱表面的压力和粘性力获得。结果显示,当Re大于80时,圆柱所受曳力和升力开始振荡。计算所得的脱落频率(Sr)与前人的结果吻合良好。